"이산화탄소의 화학원료 '전환효율' 향상…고질적 침수문제 해결"

국내 연구팀이 이산화탄소의 화학물질 전환효율을 세계 최고 수준으로 끌어올렸다. 전극 내부에 물을 차단, 전기의 흐름과 촉매 반응을 원활하게 해 효율과 안정성을 동시에 개선한 결과다. 그간 이산화탄소를 화학물질로 전환하는 공정에선 전극 내부에 물이 스며들어 성능을 떨어뜨리는 문제가 발생했다.

은 나노선 적층 구조를 활용한 이산화탄소 전해 전극의 구동 개념도(AI 생성). KAIST

KAIST는 화학과 송현준 교수 연구팀이 머리카락보다 가는 은(실)이 거미줄처럼 얽힌 구조의 '은 나노선 네트워크'로 새로운 전극 구조를 개발해 이산화탄소의 화학 원료 전환 공정에서 생기는 고질적 문제를 해결했다고 6일 밝혔다.

전기로 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환하는 전해 공정에서는 전극 내부가 전해액으로 가득 찼을 때 이산화탄소가 반응할 공간이 줄어드는 '침수(Flooding) 현상'이 좀처럼 해결되지 않았다.

이를 막기 위해 물을 밀어내는 소재를 사용하면, 전기가 잘 통하지 않는 단점 때문에 별도의 장치를 사용해야 하는 등 공정이 복잡해지는 한계도 보였다.

(왼쪽부터) 박종혁 박사, 한윤경 석박사 통합과정생, 송현준 교수, 김성주 박사. KAIST

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 물은 막고 전기는 잘 흐르게 하는 '3층 구조'의 전극을 고안했다.

이 전극은 물을 튕겨내는 기판 위에 촉매 층을 형성하고, 그 위를 은 나노선 네트워크로 덮는 구조로 완성됐다. 이 구조는 전해액의 침수를 효과적으로 차단하면서 전기 전달을 원활하게 유지할 수 있게 설계한 것이 특징이다.

특히 이번 연구는 전극 표면에 사용된 '은 나노선'이 단순히 전기를 전달하는 역할을 넘어 직접 화학 반응에 관여한다는 점을 밝혀냈다는 점에서도 의미를 갖는다.

은 나노선은 이산화탄소가 반응하는 과정에서 일산화탄소(CO)를 생성해 인접한 구리 촉매로 전달, 다음 단계의 반응으로 이어진다. 이러한 방식으로 두 촉매가 협력해 반응을 진행하는 '협동 촉매(탠덤 촉매)' 시스템이 형성되면 에틸렌 등 다중 탄소 화합물의 생성이 촉진된다는 것이 연구팀의 설명이다.

이러한 구조를 적용한 전극은 알칼리성 전해질에서 79%, 중성 전해질에서는 세계 최고 수준인 86%의 높은 선택성을 나타낸다. 이는 생성물 중 대부분이 원하는 물질로 전환됐다는 것을 의미한다.

50시간 이상의 장시간 작동해도 성능 저하 없이 안정적인 반응을 유지해 기존 기술의 한계로 여겨졌던 성능 감소 문제를 효과적으로 극복했다는 것도 이번 연구의 성과로 꼽힌다.

송 교수는 "이번 연구로 은 나노선이 전기를 전달하는 것에 더해 화학 반응에도 직접 관여한다는 것이 밝혀졌다"며 "연구팀이 개발한 기술은 앞으로 이산화탄소를 에탄올이나 연료 등 다양한 물질로 바꾸는 데 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 화학과 박종혁 박사가 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 지난달 24일 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr