이산화탄소로 에틸렌·에탄올 만드는 新촉매 개발

KIST 청정에너지연구센터 황윤정 박사팀의 연구원이 구리 금속에 금속산화물을 도입한 촉매를 이용, 이산화탄소를 에틸렌·에탄올 같은 탄소화합물 원료로 전환하는 실험을 하고 있다/사진=KIST

온실가스로 알려진 이산화탄소를 에틸렌·에탄올 등 산업에서 활용 가능한 탄소화합물로 만들어내는 새로운 전기 촉매 기술을 황윤정 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 박사, 김형준 카이스트(KAIST) 교수로 이뤄진 공동연구팀이 개발했다고 29일 밝혔다.

이산화탄소, 물과 같은 원료로부터 고부가가치 화학 원료를 직접 생성하는 이산화탄소 전환기술은 경제적 가치를 창출하고 이산화탄소를 저감시킬 수 있다. 기후 변화 대응의 핵심기술로 각광받고 있다.


전기화학적 이산화탄소 전환기술의 경우, 일산화탄소나 포름산만을 선택적으로 생성하는 고성능 촉매 소재들이 최근 다양하게 개발됐다.

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.

또 현재까지 구리 금속 촉매만이 전기화학적 이산화탄소 전환을 통한 에틸렌 생성이 가능한 유일한 소재로 알려져 보다 다양한 촉매 소재 설계에 한계점이 있었다. 따라서 촉매 반응의 이해 및 다양한 탄소화합물을 합성하려는 연구도 더딘 실정이다.


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.

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.