이산화탄소로 부탄올 생산…CCU 활용도 높인 촉매 기술 개발

이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하는 CCU(Carbon Capture Utilization) 기술이 국내 연구진에 의해 한층 진전됐다. 성균관대학교 이효영 교수 연구팀은 새로운 가시광촉매와 결정면 엔지니어링을 결합해 이산화탄소로부터 높은 순도의 부탄올을 선택적으로 생산하는 데 성공했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구 사업의 일환으로 진행됐으며, 연구 성과는 국제 저널 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)’에 2025년 2월 3일 온라인 게재됐다.

전 세계적으로 이산화탄소의 포집, 활용, 저장 기술이 활발히 연구되고 있으나, 고탄소 사슬 화합물의 효율적인 생산은 여전히 기술적 과제로 남아 있다. 특히 탄소 사슬이 길어질수록 탄소-탄소 커플링 반응에 더 많은 에너지가 필요하고, 그에 따른 정제 비용이 급격히 증가한다.

연구팀은 이산화탄소를 부탄올로 전환하기 위해 가시광선 범위(400~700nm)를 흡수하는 광촉매 시스템에 주목했다. 산화세륨(CeO₂)과 산화구리(Cu₂O)를 결합한 복합 촉매를 설계했고, 이 중 Cu₂O의 결정면을 정밀하게 조절해 성능을 향상시켰다. 특히 Cu₂O의 (100) 결정면은 산화세륨의 (111) 면과 결합했을 때 전자 전달이 활발히 일어나며, 이는 부탄올 선택성 증가로 이어졌다.

실험 결과, 해당 복합 촉매는 최대 60%의 선택성으로 부탄올을 생산하는 데 성공했으며, 반응 속도 또한 g당 34μmol/h에 달했다. 이는 기존 복합 촉매 대비 2.9배에서 최대 87배 향상된 수치다.

이효영 교수는 “광촉매 성능 향상을 위한 계면 효과에 대한 이해를 바탕으로 지속가능한 화학 생산 기술에 대한 통찰력을 제시한 연구”라며, “지구온난화의 주범인 이산화탄소를 고부가가치 자원으로 활용하는 CCU 기술 발전에 기여할 수 있을 것”이라고 전했다.

연구를 공동 수행한 성균관대 실람바라산 페루말 박사는 “CeO₂/Cu₂O(100) 복합 촉매는 결정면 제어와 계면 엔지니어링을 결합한 새로운 접근 방식으로, 향후 CCU 기술의 상용화 가능성을 높이는 데 기여할 것”이라고 덧붙였다.