DGIST, 이산화탄소를 산업 원료로 바꾸는 선택형 촉매 기술 개발

DGIST 박경수 교수(왼쪽에서 두번째)와 연구진./DGIST 제공

DGIST 화학물리학과 박경수 교수 연구팀이 로듐(Rh) 촉매와 담체 간 상호작용을 정밀하게 제어해, 이산화탄소(CO2)를 산업 원료인 일산화탄소(CO)로 효율적으로 전환하는 기술을 개발했다. 

이번 연구는 서울대학교 김성근 교수, 영국 카디프대학교 그라함 허칭스(Graham Hutchings) 교수와의 국제 공동연구로 수행됐다. 

지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 유용한 화학 연료로 바꾸는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

최근 이산화탄소 배출량을 줄이는 것만이 아니라, ‘쓸모 있는 물질’로 바꾸려는 연구가 활발하다.

특히 수소(H2)와 반응시켜 새로운 물질로 전환하는 ‘수소화 반응’은 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술 중 하나로 주목받고 있다. 그러나 기존 촉매 기술은 원하지 않는 부산물인 메탄(CH4)이 주로 생성돼 활용도가 낮았다.

이에 연구진은 아연(Zn) 기반 담체(ZnO, ZnTiO3)를 활용해 로듐 촉매 표면에 ‘오버레이어’라는 얇은 막을 형성하고, 이 구조를 통해 이산화탄소가 선택적으로 일산화탄소로 바뀌도록 유도하는 데 성공했다. 

기존보다 낮은 온도에서도 반응이 가능해졌으며, 일산화탄소 생성 비율이 크게 높아진 것이 이번 연구의 특징이다. 일산화탄소는 메탄올, 합성연료, 플라스틱 원료 등 다양한 산업 공정의 핵심 중간체로 활용될 수 있다.

더 나아가 연구팀은 고성능 전자현미경(iDPC-STEM, STEM-EELS)과 실시간 가스 분석 기술을 이용해, 촉매 표면 구조와 CO 생성 경로 간의 관계를 원자 수준에서 추적했다. 

이를 통해 ‘어떤 구조에서 어떤 생성물이 나오는가’에 대한 메커니즘을 밝혀냈고, 이는 향후 촉매 설계의 정밀도와 예측력을 높이는 기반 기술로 작용할 수 있다. 이번 기술은 피셔-트롭쉬 합성, 수성가스 전이 반응 등 고온·고압 조건의 탄소중립형 화학 공정에도 적용 가능하다.

박경수 교수는 “이번 기술은 연료, 화학소재, 메탄올 생산 등 실제 산업에 바로 활용 가능한 선택형 촉매 설계 기술로, 향후 다양한 탄소중립 공정의 핵심 기반이 될 수 있다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 ‘차세대지능형반도체 기술개발 사업’지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 세계적 학술지‘ACS Catalysis’에 6월 30일자 온라인판에 게재됐다.

/김락현기자 kimrh@kbmaeil.com