이산화탄소를 합성연료 원료로 바꾼다 …한양대 김영훈 교수팀, 대면적 전환 촉매 개발

왼쪽부터 김영훈 한양대 교수와 이진규 에너지공학과 석·박사통합과정생.(사진=한양대)

한양대학교는 김영훈 공과대학 에너지공학과 교수 연구팀이 이산화탄소(CO₂)를 산업적 활용 가치가 높은 일산화탄소(CO)로 효율적으로 전환하는 고성능 은 나노와이어 촉매를 전기화학적 방법으로 대면적 제조하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.

재생에너지를 이용해 이산화탄소를 유용한 화학물질로 바꾸는 '전기화학적 이산화탄소 전환 기술'은 탄소중립을 실현할 핵심 기술로 꼽힌다. 일산화탄소는 합성연료와 메탄올을 비롯한 다양한 화학제품을 생산하는 데 필요한 핵심 원료로, 수소(H₂)와 함께 피셔-트롭시 공정(Fischer-Tropsch synthesis) 등 고부가가치 화학 공정에도 활용된다. 은(Ag)은 이산화탄소를 일산화탄소로 선택적으로 전환하는 대표적인 촉매로 연구되고 있다.

기존의 은 나노촉매는 계면활성제나 유기 리간드 등을 사용하는 복잡한 합성·정제 공정이 필요하다. 산업적 수준의 높은 전류 밀도에서 장시간 안정적으로 작동하고, 균일한 성능의 전극을 대면적으로 제조하는 데도 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 은 박막을 대기 중에서 아이오딘화수소(HI) 증기로 처리한 뒤 전기화학적으로 환원하는 간단한 공정을 개발했다. 별도의 계면활성제나 유기 리간드 없이 메조다공성 은 나노와이어 촉매 전극을 제조했다.

개발된 전극은 지름 약 40나노미터의 가느다란 1차원 은 나노와이어가 서로 얽혀 다공성 네트워크를 형성한 구조다. 이러한 메조다공성 구조는 이산화탄소 기체와 전해질의 이동을 원활하게 하고 풍부한 촉매 활성점을 제공한다.

개발된 전극은 400mA/cm²의 높은 전류 밀도에서도 99%의 일산화탄소 생산 선택도를 유지했으며, 300시간 이상 안정적으로 작동했다. 또한 100cm² 크기의 대면적 전극에서도 균일한 촉매 구조와 이산화탄소 전환 성능을 확인했다.

김영훈 교수는 “높은 일산화탄소 선택성과 장기 안정성뿐만 아니라 간단한 제조 공정을 기반으로 대면적 전극에 적용할 가능성도 함께 확보했다”며 “향후 탄소순환형 화학원료 생산 기술의 상용화에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 나노·소재기술개발사업과 우수신진연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 나노소재 분야 국제학술지 『스몰(Small, IF 12.3)』에 8일 온라인 게재될 예정이다. 한양대 에너지공학과 이진규 석·박사통합과정생이 제1저자로, 김영훈 교수가 교신저자로 참여했다.

조호현 기자 hohyun@etnews.com