KAIST, 자가 재생 '촉매' 개발…CO₂ 고부가 물질로 효율적 전환

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국과학기술원(카이스트·KAIST)은 생명화학공학과 정동영 교수팀이 이산화탄소(CO₂)를 유용한 물질로 전환하는 전기화학 반응에서 촉매 성능이 저하되는 원인을 규명하고 촉매가 반응 중 스스로 활성상태를 유지토록 하는 새로운 설계전략을 개발했다고 11일 밝혔다.

연구팀은 이산화탄소 전환반응에서 널리 사용되는 구리(Cu) 촉매에 주목했다. 구리 촉매는 반응과정에서 표면구조가 지속적으로 변화하는 '재구성(reconstruction)' 과정을 거친다.

정 박사팀은 이런 재구성 방식에 따라 촉매의 성능과 수명이 크게 달라지는 것을 확인하고 구리 촉매의 재구성 과정이 크게 두 가지 방식으로 나타난다는 사실을 규명했다.

이 중 하나는 촉매 표면에 산화물이 형성됐다가 다시 환원되는 과정을 반복하는 방식으로, 일시적으로 활성이 증가하지만 장기적으로는 촉매 성능 저하로 이어진다.

반면 두 번째 방식은 촉매 금속이 전해질 속으로 일부 녹아 나왔다가 다시 촉매 표면에 붙는 과정을 반복하는 형태다. 이 과정에서 촉매 표면에 새로운 반응 자리인 활성점(active site)이 계속 만들어지는 것으로 나타났다.

연구팀은 이 원리를 활용해 촉매가 반응 중에도 스스로 활성 상태를 유지토록 하는 새 방법을 제시했다.
 
연구팀 관계자는 "전해질에 극미량의 구리 이온을 넣어주면 촉매 표면에서 금속이 녹았다가 다시 붙는 과정이 균형을 이루며 반복되고 그 과정에서 새로운 활성점이 지속적으로 형성된다"면서 "이를 통해 촉매가 오랜 시간 안정적인 성능을 유지할 수 있음을 입증했다"고 설명했다.

이 기술은 별도의 복잡한 공정이나 높은 전압 조건 없이도 구현할 수 있어 에너지 소비를 크게 줄이면서 에틸렌이나 에탄올과 같은 고부가가치 C₂화합물을 안정적으로 생산할 수 있는 가능성을 제시했다. C₂화합물은 탄소 원자 두 개로 이뤄진 화합물로 플라스틱이나 연료 등의 원료로 활용된다.

이번 연구는 향후 이산화탄소 전환기술뿐 아니라 다양한 전기화학 에너지 변환기술로 확장할 수 있다.

연구결과는 화학분야 세계 최고 권위 학술지인 '미국화학회지(JACS)' 온라인판에 지난달 5일 게재됐다.(공동 제1저자/KAIST 김한주 박사과정·안홍민 석박사통합과정)

정동영 교수는 "이번 연구는 촉매 성능 저하를 불가피한 현상이 아니라 제어 가능한 과정으로 이해하고 접근한 결과"라며 "반응 중에도 촉매가 지속적으로 최적의 활성을 유지토록 만드는 새 개술로 고에너지 효율과 장시간 구동이 가능한 새로운 이산화탄소 전기환원 시스템 운영 전략을 제시했다"고 말했다.


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