성균관대, 온실가스 이산화탄소를 고부가가치 에탄올로

- 상업용 시스템서 전환 선택률 69% 달성

- 에탄올을 효율적으로 생산할 수 있는 경로 제시

단일 원자 이합체 촉매가 특징인 MEA 시스템의 개략도는 Cu-Zn 직접 결합의 확대된 모습과 55시간 안정성 및 에탄올 선택성을 보여줌. (자료제공: 한국연구재단)

CuZn-SAD-NC 촉매의 인접한 Zn-Cu 이원자 쌍 위에서 두 개의 CO 중간체가 결합(C-C coupling)해 OHCCHO를 형성한 뒤, 단계적 양성자화·탈수 과정(OCHCH₂ → OCHCH₃)을 거쳐 최종적으로 에탄올(CH₃CH₂OH)이 생성되는 반응 경로를 DFT로 규명한 그림. (자료제공: 한국연구재단)

부산물 분리 없이 고순도 에탄올을 선택적으로 생산할 수 있는 기술이 개발돼 주목된다. 

한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대학교 이효영 교수 연구팀이 이산화탄소를 에탄올로 고효율 전환하는 단일 원자 이합체 전기촉매 기술을 개발했다고 7월 27일 밝혔다. 

단일 원자 이합체 전기촉매는 촉매 활성을 높이고, 생성물 선택성을 개선하며, 원자 활용을 극대화하기 위해 협력하는 두 개의 인접한 고립된 금속 원자로 구성된 촉매를 말한다.

이산화탄소를 포집·활용해 고부가가치 화합물로 재탄생시키는 기술은 탄소중립의 핵심 열쇠로 꼽힌다. 그러나 기존 촉매 기술은 반응 과정에서 여러 부산물을 만들어내기 때문에, 이를 고순도로 추출하기 위한 대형 정제 설비와 추가 에너지가 필수적이었으며 이는 곧 상업적 경제성을 떨어뜨리는 주요 원인이 되었다.

이 때문에 실험실을 넘어 실제 상업용 셀 환경에서도 부산물 분리 없이 고순도 화합물만을 선택적으로 생산할 수 있는 이산화탄소 환원(CO2RR) 촉매 기술 개발이 시급한 과제로 요구되어 왔다. 

이를 위해 연구팀은 뛰어난 전도성을 가진 N-도핑 그래핀 기판 위에 구리(Cu)와 아연(Zn) 금속 원자를 1개씩 짝을 지어 배치된 단일 원자 이합체 촉매를 새로 개발했다.

단일 원자 촉매는 원자 활용도가 극대화된다는 장점이 있지만, 원자 1개 만으로는 이산화탄소를 복잡한 에탄올 분자로 바꾸기에는 한계가 있었다. 

이번에 연구팀이 개발한 단일 원자 이합체 촉매는 두 개의 인접한 금속 원자가 서로 협력하여 반응을 촉진, 이산화탄소를 에탄올로 전환하는 데 가장 까다롭고 중요한 탄소 간 결합(C-C 결합) 반응을 효과적으로 촉진하고 전환 효율을 극대화했다.

특히 이번 연구는 실험실 수준의 기본 테스트(3전극 방식)를 넘어, 실제 산업 현장에서 사용하는 상업용 멤브레인 전극 조립체(MEA) 셀 시스템에 직접 적용해 그 성능을 검증했다.

기존 촉매는 실제 상업용 셀에 적용하면 성능이 급격히 떨어지는 한계를 보였으나, 이번에 개발된 촉매는 별도의 정제 공정 없이도 보고된 값 중 최고 수준인 69%의 에탄올 선택성을 기록했다.

이효영 교수는 “이번 연구는 실제 상업용 MEA 셀 환경에서 이산화탄소로부터 높은 선택성을 갖는 에탄올을 직접 생산하는 가능성을 제시함으로써 미래 친환경 산업으로의 응용 가능성을 크게 열었다는 데 중요한 의의가 있다”고 전했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 지원사업으로 수행됐다. 연구결과는 국제 학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 엔바이론멘탈 앤 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)’에 7월 1일자로 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]