CO₂→알릴 알코올 전환…고부가 화학연료 대량생산길 열렸다

- GIST 이재영 교수팀, CO₂로 고부가가치 화학연료 생산기술 개발

최민준(왼쪽부터) 박사, 이재영 교수, 배수안 박사.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 광주과학기술원(GIST)은 환경·에너지공학과 이재영 교수 연구팀이 이산화탄소(CO2)를 사용하여 고부가가치 화합물 ‘알릴 알코올’을 세계 최고 수준으로 생산할 수 있는 전기화학 전환기술을 개발했다고 밝혔다.

이 기술은 자체 개발한 환원전극촉매 구리인(CuP2)과 산화전극촉매 니켈철(NiFe)를 양극간 간격이 없는 막-전극접합체로 구성하여 탄소 원자수가 1개인 이산화탄소를 탄소 원자 수가 3개 이상의 다탄소 고부가가치 화합물(C3+)인 알릴 알코올로 선택적 전환을 통해 생산함으로써, 경제성이 있는 전기화학 탄소 포집 및 활용 기술(e-CCUs)의 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다.

알릴 알코올은 이중 결합을 가진 알릴기와 수산기를 함께 포함한 구조로, 다양한 화학 반응에 활용될 수 있는 매우 유용한 물질이다. 특히 플라스틱, 접착제, 살균제, 향료 등 여러 산업 분야에서 고분자 화합물을 합성하는 데 필수적인 원료로 사용되며, 그 산업적 가치가 매우 높다.

이산화탄소의 전기화학적 환원 기술은 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 유용한 물질로 전환할 수 있는 탄소중립 시대의 핵심 기술이지만, 알릴알코올과 같은 탄소 원자 수가 3개 이상인 고부가가치 화합물을 선택적으로 생산하는 것은 패러데이 효율이 15% 미만으로 매우 낮으며, 반응 경로가 복잡하고 중간체의 안정성도 떨어져 기술적인 제약이 컸다.

특히 액체 상태의 고부가가치 화합물은 탄소-탄소(C–C) 결합을 만드는 것이 까다롭고 반응 중간체의 안정성이 떨어져 생산이 매우 까다로운 것으로 알려져 있다.

하지만 이번 연구에서 개발된 기술은 66.9%의 패러데이 효율을 달성했으며, 이는 기존 최고 기술보다 효율이 약 4배 높은 수준이다. 이처럼 높은 효율은 불필요한 부산물 생성은 최소화하고, 원하는 물질만을 선택적으로 생산할 수 있는 촉매의 탁월한 선택성을 입증한다.

또한 전극의 단위면적당 1100 mA cm⁻²를 인가할 수 있는 공정에서 735.4 mA cm⁻²의 부분 전류 밀도와 1643 μmol cm⁻² h⁻¹의 생산 속도를 기록하며 세계 최고 수준의 성능을 입증했다. 이처럼 고부가가치 화학 물질인 알릴 알코올을 안정적으로 대량 생산할 수 있게 되면서, 실제 산업 현장에서 활용될 가능성이 매우 커졌다.

전기화학 탄소 포집 및 활용 기술(e-CCUs) 모식도.[GIST 제공]

특히 이번 연구에서는 기존에 널리 알려진 ‘일산화탄소를 거치는 반응 경로’가 아닌, 포르메이트(HCOOad)라는 중간물질이 포름알데히드(HCOad)*로 전환되는 과정에서 탄소-탄소(C–C) 결합이 형성되는 새로운 반응 경로를 밝혀냈다.

이는 기존의 통설을 뒤집는 반응 메커니즘으로, 생성물 대부분이 저장과 운송이 용이한 액체 화합물이라는 점에서 상업적 가치를 크게 높인다.

이재영 교수는 “이번에 개발한 이산화탄소 전환공정기술은 이산화탄소 배출에 따른 부담감이 가중되고 있는 석탄·석유화학 산업과 제철 산업에게 위기를 극복할 수 있는 새로운 비지니스 방향성을 제시할 수 있는 돌파구로서 평가 받을 수 있다”고 강조했다.

과학기술정보통신부·한국연구재단이 지원하는 해외우수연구기관협력허브구축사업과 선도연구센터지원사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 물리화학 분야 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 5월 22일 온라인 게재됐다.