아주대·예일대·토론토대 공동 연구팀, 이산화탄소 전환 효율 향상 新촉매 개발

아주대·예일대·토론토대 공동 연구팀이 개발한 구리 입자 전구체(Cu-mono)의 단결정 구조. /아주대 제공

이준우 아주대 응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과 교수

아주대 연구진이 포함된 국제 공동 연구팀이 이산화탄소 전환 기술의 생산 효율을 크게 향상할 수 있는 새로운 촉매를 개발하는 데 성공했다.

이에 따라 향후 친환경 고부가가치 화합물 생산을 비롯한 친환경 에너지 전환 기술 분야 발전에 기여할 수 있을 전망이다.

아주대는 이준우 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)가 참여한 국제 공동 연구팀이 산성 환경에서 이산화탄소(CO2)의 전기화학적 환원을 통해 고부가가치 화합물 생산 효율을 크게 높일 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 4일 밝혔다.

이번 연구 내용은 ‘CO2 전기환원에서의 높은 탄소 전환 효율과 산성 안정성을 지닌 구리 입자 전구체(Acid-Stable Cu Cluster Precatalysts Enable High Energy and Carbon Efficiency in CO2 Electroreduction)’라는 제목으로 화학 분야 국제 저명 학술지인 ‘미국화학회지’(Journal of the American Chemical Society, JACS) 9월호에 게재됐다. 아주대 연구팀은 미국 예일대와 캐나다 토론토대 연구팀과 함께 연구를 진행했다.

아주대 연구팀은 이번 연구에서 구리 입자 전구체의 설계-합성 및 화학구조 분석을 수행했다. 예일대 연구팀은 X-ray를 통한 결정 구조 변화 분석을 했고 토론토대는 합성된 전구체를 활용한 이산화탄소 환원 실험과 결합 에너지 계산을 맡았다.

현재 이산화탄소(CO2)의 전기화학적 전환은 전극에 전류를 가해 이산화탄소를 분해하고, 이를 고부가가치 화합물로 전환하는 방식으로 이뤄진다. 이 과정에서 주로 구리 기반의 촉매가 사용된다.

그러나 산성 환경에서 구리 촉매의 불안정성으로 인해 장시간 높은 효율을 유지할 수 없다는 것이 한계로 지적됐다. 또 저밀도의 이산화탄소 전환 활성 부위로 원하는 C2+ 물질의 선택성이 충분히 높지 않다는 점이 문제다.

이에 아주대를 포함한 국제 공동 연구팀은 산성 환경에서도 안정적인 촉매를 개발하기 위해 노력해 왔다.

연구팀이 개발한 촉매는 산성 조건에서 구리 이온이 빠져나가면서 C2+ 활성 부위가 비활성화되고 성능 저하를 불러왔던 기존의 문제점을 해결했다. 공동 연구팀이 개발한 구리 입자 전구체는 산성 조건에서도 부반응 없이 이산화탄소 전환 반응이 이뤄지는 동안 활성화돼 미세 구리 나노 입자로 변환되고 이 과정에서 고밀도의 이산화탄소 전환 활성을 효과적으로 유지했다.

논문의 주저자인 이준우 아주대 교수는 “이번 연구는 산성 환경에서 이산화탄소 전환 반응을 효율적으로 촉진할 수 있는 새로운 촉매를 개발해 냈다는 점에서 큰 의의가 있다”며 “특히, 낮은 전류에서도 높은 선택성과 에너지 효율을 달성함으로써, 이산화탄소 전기환원 기술의 상업화를 위한 기술적 한계 극복에 중요한 진전이 될 것”이라고 말했다.

/김형욱기자 [e-mail]