KIST 청정에너지연구센터 황윤정 박사팀의 연구원이 구리 금속에 금속산화물을 도입한 촉매를 이용, 이산화탄소를 에틸렌·에탄올 같은 탄소화합물 원료로 전환하는 실험을 하고 있다/사진=KIST
이산화탄소, 물과 같은 원료로부터 고부가가치 화학 원료를 직접 생성하는 이산화탄소 전환기술은 경제적 가치를 창출하고 이산화탄소를 저감시킬 수 있다. 기후 변화 대응의 핵심기술로 각광받고 있다.
그러나 훨씬 복잡한 반응으로 알려진 에틸렌·에탄올 등 탄소가 두 개 이상인 다탄소 화합물을 만드는 기술은 아직 생성전류 선택도가 40~70% 수준으로 충분한 촉매 기술이 확보되지 못했다. 생성전류 선택도는 전기화학적으로 이산화탄소 전환할 때 흐른 전류 대비 에틸렌 생성에 사용된 전류의 비율을 말한다.
공동연구진은 구리 촉매 소재에 ‘세리아’라는 금속산화물을 도입, 나노 계면을 조절함으로써 다탄소 화합물 선택도를 향상시킬 수 있는 신규 촉매 설계 기술을 개발했다.
연구진은 균일한 구리 촉매 표면은 다탄소 생성물 합성에 적절치 못하다는 이전의 연구 결과를 바탕으로, 다양한 화합물 만들 수 있도록 이종의 소재를 도입하는 접근법을 사용했다.
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연구진에 따르면 세리아는 구리와의 계면에서 전자 및 화합물의 교환이 가능해 촉매 반응에 기여했다. 구리 나노 입자의 단일 촉매의 경우 에틸렌·에탄올의 생성전류 선택도가 40% 미만이었는데, 연구진이 개발한 촉매는 65%로 높은 생성전류 선택도를 보였다.
이와 함께 연구진은 계산·화학적 모델링을 통해 계면에서의 촉매 다양성 반응 원인을 규명했다. 특히, 구리와 세리아의 계면 조절을 통해 이산화탄소 전환 생성물의 비율을 조절할 수 있었고, 결과적으로 일산화탄소나 메탄과 같이 탄소가 하나인 화합물에 비해, 에틸렌·에탄올 등의 다탄소 화합물의 비율을 향상시키는 구조를 찾을 수 있었다.
황 박사는 “이번 연구로 밝혀진 촉매 반응의 이해와 촉매 소재 개발 전략은 다탄소 화합물 합성 성능 향상에 도움을 줘 이산화탄소 활용 기술의 실용화 가능성을 높일 것”이라고 말했다.