‘지구온난화 주범’ 이산화탄소, 청정연료로 전환할 화학원리 찾았다

실시간으로 관찰한 로듐 촉매 표면의 모습/사진=IBS

지구온난화의 주범인 이산화탄소를 제거해 유용 물질로 전환할 수 있다면, 기후변화 등 환경 문제 해결에 큰 도움을 받을 수 있다. 이를테면 이산화탄소를 메탄이나 메탄올과 같은 청정연료로 전환하는 식이다. 이를 위해선 이산화탄소가 분해되는 화학반응을 파악해야 한다.

기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 부연구단장(KAIST 화학과 교수), 문봉진 광주과학기술원 교수, 김현유 충남대 교수로 이뤄진 공동연구진이 이산화탄소 분자가 로듐(Rh) 촉매 표면에서 분해되는 순간을 처음 관찰했다고 6일 밝혔다.

이산화탄소가 촉매 표면에서 스스로 분해된다는 이론은 오래 전 제시됐지만, 실험 증거가 뒷받침되지 않아 40여 년간 난제로 남아있다.

이산화탄소는 화학적으로 매우 안정적이어서 전환에 높은 에너지가 소모된다. 이산화탄소를 일산화탄소와 산소로 분해하는 초기 과정에는 수십 기압에 이르는 고압 반응이 필요하다. 따라서 최적 반응경로 설계와 전환 효율 향상을 위해 이산화탄소의 분해 메커니즘을 면밀히 파악하는 것이 중요하다.

하지만 현재까지 이산화탄소 분해 과정의 화학적 메커니즘을 원자 수준에서 정확히 밝힌 연구는 없다. 연구진은 크기가 수 옹스트롬(Å·100억분의 1미터)에 불과한 이산화탄소 분자는 화학 반응기 내부 압력이 충분히 증가하면 촉매 표면에서 스스로 구조변화를 일으킬 것이란 이론적 예측에서 아이디어를 얻어 실험에 착수했다.

시간 흐름에 따른 이산화탄소 분해 과정 관찰 결과/사진=IBS

먼저, 연구진은 머리카락 두께의 10만 분의 1 해상도를 가지는 상압 주사터널링현미경(AP-STM)을 활용해 로듐 촉매 표면에 맞닿은 이산화탄소 분자의 변화를 관찰했다.

그 결과, 가로·세로 폭이 각각 2~5nm인 로듐 촉매 표면에서 이산화탄소 분자들이 서로 충돌하다 결국 일산화탄소로 분해됐다.

김 교수는 “주변 압력으로 인해 단위 면적 당 분자 간 충돌횟수가 비약적으로 높아지며 분자가 불안정해지고, 최종적으로 분해에 이르는 것을 확인할 수 있었다”고 설명했다.

이후 연구진은 방사광 가속기를 활용해 로듐 촉매 표면의 미세한 화학 결합 에너지 변화를 측정했다. 이를 통해 상압 환경에서 반응 시작 후 일산화탄소가 서서히 증가함을 확인할 수 있었다.

또 구조변화를 일으킨 이산화탄소의 전자구름(원자 내부의 특정 위치에 존재할 수 있는 전자 위치의 확률적 분포) 밀도 차이가 로듐 촉매 표면에서 극대화됨을 발견했다. 로듐 촉매 표면에서 이산화탄소 분해가 시작된다는 증거를 제시한 것이다.

문 교수는 “이산화탄소의 효과적 제거·활용을 위해서는 이산화탄소의 분해 메커니즘을 낱낱이 파헤쳐야 한다”며 “이번 연구는 이산화탄소의 변화를 원자 수준에서 관찰하고, 후속 연구를 위한 표준 방법론을 제시했다는 의미가 있다”고 말했다.

박 단장은 “향후 이산화탄소의 전환률에 영향을 미치는 핵심 연결고리를 규명할 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 게재됐다.