‘원자 틈’으로 이산화탄소를 에틸렌으로 바꾼다
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‘원자 틈’으로 이산화탄소를 에틸렌으로 바꾼다
  • 정종오 기자
  • 승인 2020.03.16 10:43
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국내 연구팀, 관련 전기화학촉매 개발
매우 좁은 틈이 생성된 구리 촉매에서 이산화탄소가 연료로 전환됐다. [사진=카이스트]
매우 좁은 틈이 생성된 구리 촉매에서 이산화탄소가 연료로 전환됐다. [사진=카이스트]

국내 연구팀이 온실가스의 주범인 이산화탄소를 에틸렌 등의 연료로 변환할 수 있는 기술을 개발했다. 구리 입자 내 ‘원자 틈’을 제어하는 기술을 적용했다.

카이스트(KAIST) 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 성균관대, 부산대, 미국 버클리대학, 칼텍 등과 공동연구를 통해 구리 입자 내 원자 틈을 제어하는 기술을 적용해 온실가스인 이산화탄소를 에틸렌 등의 고부가 연료로 변환할 수 있는 전기화학촉매 소재기술을 선보였다.

이산화탄소로부터 에틸렌 생성비율을 최고 80%까지 높이는 기술이다. 연구팀은 기존 나노입자기반 촉매 한계를 뛰어넘기 위해 원자 수준의 촉매제어 기술을 도입했다.

이번 연구결과는 기존 촉매소재 설계에서 제시되지 않은 ‘원자 틈’을 처음으로 촉매설계의 주요 인자로 적용해 산업적 가치가 높은 에틸렌의 생산성을 획기적으로 높였다. 동시에 천연가스에서 손쉽게 얻을 수 있는 메탄의 생성을 실험적으로 완전히 억제했고 양자역학 계산 기술을 이용해 원자 틈의 촉매반응 활성 원리를 이론적으로 규명했다.

전기화학적 촉매반응을 활용한 이산화탄소 변환 기술은 지구 가열화(Heating)를 일으키는 이산화탄소를 저감하는 대표 기술 중 하나이다. 효율적 이산화탄소 전환 촉매기술의 개발을 통해 대기 중의 이산화탄소 농도를 줄이면서 산업에 유용한 연료나 화합물을 생산하는 기술이다.

이산화탄소 전환을 위해 다양한 전이금속 기반의 전기화학 촉매가 개발되고 있는데 에틸렌과 같은 탄화수소 계열의 연료를 생산할 수 있는 원소는 구리가 유일하다. 일반적으로 구리 촉매는 반응 속도와 생성물의 선택성이 높지 않아 이산화탄소 저감의 실효성과 생성물의 경제성이 떨어졌다. 이를 해결하기 위해 구리 촉매의 특성을 개선하려는 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

연구팀은 산화된 구리의 환원반응을 전기화학적으로 미세하게 제어해 구리 결정면 사이에 1나노미터 미만의 좁은 틈을 만들었다. 이 원자 틈에서 이산화탄소 환원반응 중간생성물의 촉매표면 흡착에너지를 최적화해 촉매반응의 활성을 극대화했다. 동시에 탄소-탄소 결합을 유도해 에틸렌과 같은 고부가 화합물이 효율적으로 생산되는 것을 규명했다.

연구에서 제안한 신규 활성인자인 원자 틈 원리는 다양한 전기화학 촉매 연구 분야로 확장할 수 있다는 의의를 갖는다.

강정구 교수는 “구리 기반 촉매 소재에 간단한 공정 처리기술을 도입해 온실가스인 이산화탄소를 전환함으로써 고부가 화합물인 에틸렌을 효율적으로 생산하는 소재기술”이라며, “기후변화와 온실가스 문제 대응을 위한 핵심 대안기술이 될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials)’ 3월 10일자(논문명: Atomic-Scale Spacing between Copper Facets for the Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide)에 실렸다.

 

정종오 기자  science@greened.kr

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