KAIST, 지구온난화 주범 이산화탄소 변환 '육각형 아연촉매' 개발

머니투데이

대전=허재구 기자

KAIST 생명화학공학과 우성일 교수와 EEWS 대학원 김형준 교수 공동연구팀은 이산화탄소를 높은 효율로 환원시킬 수 있는데다 내구성도 강한 육각형 아연 촉매를 개발했다고 26일 밝혔다.

지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 탄소의 자원으로 사용해 연료를 만든다면 기후 문제는 물론 에너지 고갈 문제를 해결할 수 있다.

하지만 이러한 시스템 개발을 위해서는 열역학적으로 안정적인 이산화탄소를 성공적으로 변환시킬 수 있는 촉매를 개발하는 것이 중요하다.

연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 전기화학적 시스템과 아연을 이용했다.

아연은 이산화탄소 변환 촉매 중 일산화탄소를 선택적으로 생성할 수 있다는 장점이 있다.

또 같은 특성을 갖는 금·은에 비해 2만분의 1에 불과한 저렴한 가격 경쟁력을 갖는다. 하지만 부족한 성능으로 인해 많은 주목을 받지 못했다.

연구팀은 아연 촉매의 성능 향상을 위해 화학 반응에 참여하는 부분의 표면적을 최대한 넓혔다.

이어 흡착에너지를 수월하게 조절할 수 있도록 전기화학적 증착법을 통해 육각형 형태로 배열된 아연 촉매를 제작했다.

연구팀은 이 육각형 아연 촉매에 가하는 전압에 따라 일산화탄소와 수소 생성 비율을 다양하게 조절할 수 있음을 확인했다.

또 일산화탄소와 수소를 각각 잘 생성하는 아연의 결정면이 Zn(101)과 Zn(002)임을 밀도범함수이론(density functional theory) 계산을 통해 이론적으로 밝혔다.

향후 이 두 면의 비율을 조절해 원하는 공정이나 생성물의 비율을 얻을 수 있음을 규명했다.

육각형 아연 촉매는 이산화탄소 변환의 반응 선택성을 의미하는 페러데이 효율(Faradaic efficiency)에서 95%를 기록했고 이 성능이 30시간 이상 지속돼 기존 귀금속을 포함한 모든 일산화탄소 생성 촉매 중 가장 긴 시간 동안의 안정성을 보였다.

연구팀은 태양에너지와 같은 신재생에너지로부터 전기에너지를 얻고, 이산화탄소를 환원시켜 일산화탄소 및 수소를 생성하고 이 합성가스를 피셔-트롭쉬 반응에 직접 이용할 예정이다.

우성일 교수는 "이를 통해 추가적인 이산화탄소 배출 없이도 높은 에너지 밀도를 가진 탄화수소 연료 생산이 가능해진다" 며 "생산한 연료들을 연소하면 다시 이산화탄소와 물이 발생하므로 이것이야말로 지속가능한 에너지 생산 시스템이 될 것"이라고 말했다.