질소 첨가한 촉매판이 이산화탄소를 먹었다

POSTECH, 새로운 니켈 촉매 개발
이산화탄소를 일산화탄소로 바꿔줘

POSTECH 화학공학과 김진곤 교수팀의 새로운 일산화탄소 전환 촉매 기술이 영국왕립화학회에서 발간하는 국제 학술지 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)' 표지 논문에 실렸다. POSTECH 제공

[파이낸셜뉴스] 포항공과대(POSTECH) 화학공학과 김진곤 교수팀은 서울대 한정우 교수팀과 협력해 이산화탄소를 산업에 유용한 일산화탄소로 바꾸는 새로운 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다.

이 촉매는 질소가 첨가된 그래핀에 니켈을 단원자 형태로 알알이 박아 만들었다. 이를 테스트한 결과 90% 이상의 높은 일산화탄소 전환 효율을 보였으며, 10시간 이상 사용해도 성능이 유지되는 내구성을 확인했다.

기후변화는 이제 영화 속 이야기가 아니다. 갈수록 심해지는 폭염과 슈퍼 태풍 등 이상기후 현상들은 지구가 보내는 경고 신호다. 그 주범으로 온실가스, 특히 이산화탄소가 지목되면서 이를 줄이기 위한 노력이 이어지고 있다.

김진곤 교수는 "탄소중립 사회로 나아가기 위해 필요한 단원자 촉매 성능을 좌우하는 핵심 요소를 밝혀냈다"며, "이번 연구는 이산화탄소 저감뿐만 아니라 수소 생산을 위한 수전해 반응, 연료전지 산소 환원 반응 같은 다양한 에너지 전환·저장 기술에 응용될 것"이라고 설명했다.

단원자 촉매는 금속 원자를 개별적으로 그래핀 지지체 표면에 붙여 촉매 효율을 높이는 기술이다. 마치 넓은 들판 위에 가로등들이 정교하게 배치된 것처럼, 촉매 활성 부위를 최대한 활용할 수 있다. 특히, 이산화탄소 전환 반응에서는 금속 활용도와 반응 선택성을 높일 수 있지만 탄소 지지체의 어떤 특성이 실제로 촉매 성능에 영향을 미치는지 명확히 밝혀진 바가 없었다.

연구진은 그래핀 지지체 핵심 요소인 '다공성'과 '전자전도성'이 이산화탄소 전환 반응에 미치는 영향을 분석했다. 다양한 형태의 질소가 첨가된 다공성 그래핀 지지체를 설계한 다음, 니켈 단원자 촉매를 고정해 성능을 비교했다.

실험 결과, 낮은 전압에서는 전자전도성이 높은 지지체가 이산화탄소를 일산화탄소로 변환시키는 선택성을 높이는 데 중요한 역할을 했다. 반면, 높은 전압에서는 다공성 구조가 촉매의 성능을 결정하는 핵심 요소로 작용했다. 또한, 넓은 전압 범위에서 90% 이상의 높은 전환 효율을 보였으며, 10시간 이상 작동한 후에도 우수한 내구성을 입증했다.

특히, 연구진이 개발한 최적의 촉매는 질소가 포함된 다공성 그래핀 기반 그래핀 지지체를 활용해, 기존의 2D 그래핀이나 질소가 없는 다공성 탄소 지지체보다 뛰어난 이산화탄소 전환 성능을 보였다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 새로운 촉매를 영국왕립화학회에서 발간하는 국제 학술지 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)'에 발표했으며, 이 학술자에서는 표지 논문으로 채택했다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자