한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 황윤정 박사 연구팀은 KAIST 김형준 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 온실가스로 알려진 이산화탄소를 전환하여 에틸렌·에탄올 등 산업에서 활용 가능한 탄소화합물을 만들어내는 새로운 전기 촉매 기술을 개발했다고 밝혔다.

이산화탄소, 물과 같은 원료로부터 고부가가치 화학 원료를 직접 생성하는 이산화탄소 전환기술은 경제적 가치 창출뿐만 아니라, 이산화탄소 저감에도 이바지할 수 있어 기후 변화 대응의 핵심기술로 발전할 전망이다.

전기화학적 이산화탄소 전환기술의 경우, 일산화탄소나 포름산만을 선택적으로(95% 이상) 생성하는 고성능 촉매 소재들이 최근 다양하게 개발됐다. 그러나, 훨씬 복잡한 반응으로 알려진 에틸렌·에탄올 등의 탄소가 두 개 이상인 다탄소 화합물을 만드는 기술은 아직 생성전류 선택도가 40~70% 수준으로 충분한 촉매 기술이 확보되지 못했다. 생성전류 선택도란 전기화학적으로 이산화탄소 전환할 때 흐른 전류 대비 에틸렌 생성에 사용된 전류의 비율울 말한다.

또한, 현재까지 구리 금속 촉매만이 전기화학적 이산화탄소 전환을 통한 에틸렌 생성이 가능한 유일한 소재로 알려져, 보다 다양한 촉매 소재 설계에 한계점이 있었다.

KIST 연구진은 구리 촉매 소재에 ‘세리아’라는 금속산화물을 도입, 나노 계면을 조절함으로써 다탄소 화합물 선택도를 향상시킬 수 있는 신규 촉매 설계 기술을 개발했다. 균일한 구리 촉매 표면은 다탄소 생성물 합성에 적절치 못하다는 이전의 연구 결과를 바탕으로, 다양한 화합물 만들 수 있도록 이종의 소재를 도입하는 접근법을 사용하였다.

연구진이 도입한 금속산화물 ‘세리아’는 구리와의 계면에서 전자 및 화합물의 교환이 가능해 촉매 반응에 기여했다. 구리 나노 입자의 단일 촉매의 경우 에틸렌·에탄올의 생성전류 선택도가 40% 미만이었는데, KIST 연구진이 개발한 촉매는 65%로 높은 생성전류 선택도를 보였다.

연구진은 계산·화학적 모델링을 통해 계면에서의 촉매 다양성 반응 원인도 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.

KIST 황윤정 박사는 “이산화탄소 전환 생성물의 다양성을 높이는 촉매 소재의 연구가 도전적이지만 새로운 가능성을 제시할 수 있을 것”이라며, “촉매 반응의 이해와 촉매 소재 개발 전략은 다탄소 화합물 합성 성능 향상에 기여하여 이산화탄소 활용 기술의 실용화 가능성을 높일 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화대응기술개발사업으로 수행, 연구 결과는 에너지 분야 최고 수준 과학전문지인 「ACS Energy Letters」 (IF : 16.33, JCR 분야 상위 1.92%) 최신호에 게재됐다.

* (논문명) Metal-Oxide Interfaces for Selective Electrochemical C-C Coupling Reactions

– (제 1저자) 한국과학기술연구원 이찬우 박사((現)국민대학교 조교수)

한국과학기술원 신승재 박사과정

– (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 책임연구원, 한국과학기술원 김형준 교수