KAIST, 이산화탄소 분해 과정 원자 수준에서 관찰

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 대기 중의 온실가스를 제거하고 미래 청정 원료를 생산하는데 필요한 고성능 촉매를 개발할 가능성을 제시했다.

박정영 KAIST 화학과 교수.(사진=KAIST)

한국과학기술원(KAIST)은 박정영 화학과 교수 연구팀이 이산화탄소 전기환원 과정에서 단원자 구리 금속 촉매가 분해되는 과정을 실시간 원자단위로 관찰하고, 주된 반응 활성자리임을 규명했다고 28일 밝혔다.

전기화학 반응을 이용한 이산화탄소 전환 기술은 공정과 반응 조건이 비교적 간단하면서도 열역학적 방법으로 불가능한 고부가가치 화합물을 생산할 수 있다는 점에서 연구 활용 가치가 높다. 단, 이산화탄소 환원반응은 일산화탄소, 메탄, 에탄올, 수소 등 다양한 생성물들을 함께 만들어내고, 촉매 표면 구조의 변화를 일으킬 수 있다.

이에 전극 표면에서 일어나는 이산화탄소의 환원반응 경로를 알아내고, 표면 구조 거동 분석이 필요하다. 하지만 액체 전해질 환경에서 반응이 이뤄지기 때문에 분석하기 어려웠다.

연구팀은 전기화학 주사 터널링 현미경 분석법을 적용해 단원자 구리금속 촉매 표면에서 일어나는 이산화탄소 환원반응을 관찰했다. 이때 표면에 형성되는 산화구리 나노 복합체가 주된 반응 활성자리임을 시각 증거로 제시했다.

구리 전극 표면이 이산화탄소 전환과정에서 환원되며 반응 활성도, 촉매 표면 구조가 달라진다는 점에 착안해 액체·고체 계면에서 단원자 구리금속 촉매 전극과 반응하는 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 원자단위로 포착했다.

박 교수는 “액체·고체 계면 분석에 난항을 겪는 상황에서 단원자 구리금속 기반 촉매 표면의 이산화탄소 전기환원 반응 현상을 원자수준으로 관찰하고, 촉매 물질의 활성자리를 결정해 화학반응 경로를 설계할 수 있다”며 “앞으로 이산화탄소의 전기화학적 전환 연구 외에도 탄소중립 정책을 위한 촉매 소재 연구개발에 기여할 것으로 기대한다”고 했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 지난 달 29일자로 온라인 게재됐다.