KAIST, CO₂ '플라스틱 원료화' 新전극 기술 개발...전환효율 86%

이산화탄소(CO₂)를 플라스틱 원료 '에틸렌'과 같은 화학물질로 바꾸는 과정에서는, 화학 반응이 일어나는 핵심 부위 '전극' 내부에 물이 스며들어 성능이 떨어지는 '침수 현상'이 문제시 됐다. 이런 가운데 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 물은 차단하면서 전기 흐름과 촉매 반응은 원활하게 이뤄지도록 설계한 새로운 전극 구조를 개발했다.

KAIST는 송현준 화학과 교수팀이 머리카락보다 가는 은 실이 거미줄처럼 얽힌 '은 나노선 네트워크'를 활용한 전극 구조를 개발, CO₂ 유용 화학물질화 효율을 세계 최고 수준으로 끌어올렸다고 6일 밝혔다.

은 나노선 적층 구조를 활용한 이산화탄소 전해 전극 구동 개념도(AI 생성 이미지)

그동안 침수 현상을 막기 위해 물을 밀어내는 소재를 사용하면, 전기가 잘 통하지 않는 단점이 있어 별도 장치가 필요하는 등 공정이 복잡해지는 한계가 있었다.

연구팀은 물은 막고 전기는 잘 흐르게 하는 '3층 구조' 전극을 고안했다. 물을 튕겨내는 기판 위에 촉매층을 형성하고, 그 위를 은 나노선 네트워크로 덮은 구조로, 전해액 침수를 효과적으로 차단하면서도 전기 전달을 원활하게 유지할 수 있도록 설계됐다.

이번 연구 핵심은 은 나노선이 단순히 전기를 전달하는 역할을 넘어, 직접 화학 반응에도 참여한다는 점을 밝혀낸 것이다. 은 나노선은 CO₂를 반응시키는 과정에서 일산화탄소(CO)를 생성하고, 이 물질이 인접한 구리 촉매로 전달되며 다음 단계 반응이 이어진다. 이러한 방식으로 두 촉매가 협력해 반응을 진행하는 '협동 촉매(탠덤 촉매)' 시스템이 형성되며, 그 결과 에틸렌과 같은 다중 탄소 화합물 생성이 촉진됐다.

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

이런 구조를 적용한 전극은 알칼리성 전해질에서 79%, 중성 전해질에서는 세계 최고 수준인 86%의 높은 선택성을 기록했다. 또 50시간 이상 장시간 작동에서도 성능 저하 없이 안정적인 반응을 유지해, 기존 기술에서 나타났던 성능 감소 문제를 효과적으로 극복했다.

송현준 교수는 “이번 연구는 은 나노선이 전기를 전달하는 동시에 화학 반응에도 직접 참여한다는 점을 밝혀낸 데 의미가 있다”라며 “이 기술은 앞으로 CO₂를 에탄올이나 연료 등 다양한 물질로 바꾸는 데에도 활용될 수 있는 새로운 설계 방법을 제시했다”고 말했다.

박종혁 KAIST 화학과 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스'에 3월 24일 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com