이산화탄소를 산업원료로 바꾸는 구리 촉매, 나트륨 이온이 성능 향상 열쇠

온실가스 이산화탄소를 유용한 화학원료로 바꾸는 전기화학 환원 촉매에서, 구리 촉매 내부로 침투한 나트륨 이온이 성능 향상의 핵심 요인이라는 사실을 국내 연구진이 규명했다.

한국연구재단은 포항공과대학교 최창혁 교수, 고려대학교 김세호 교수, 경희대학교 신혜영 교수 공동 연구팀이 산화물 유래 구리 촉매 내부에 전해질에서 유래한 나트륨 이온 불순물이 미량 포획돼 촉매의 고활성 부위를 안정화함으로써 이산화탄소 전환 효율을 높인다는 작동 원리를 밝혀냈다고 7일 밝혔다. 이번 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 나노미래소재원천기술개발 사업 등의 지원으로 수행됐으며, 촉매 분야 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 7월 6일 게재됐다.

이산화탄소를 일산화탄소나 에틸렌 같은 화학물질로 바꾸는 전기화학적 이산화탄소 환원 기술은 온실가스 감축과 탄소중립, 재생에너지 저장을 동시에 도모할 수 있는 차세대 기술로 꼽힌다. 특히 구리는 이산화탄소를 에틸렌·에탄올 등 다탄소 화합물로 전환하는 대표 금속 촉매로, 산화구리를 전기화학적으로 환원해 만든 ‘산화물 유래 구리 촉매’는 일반 금속 구리에 비해 높은 환원 활성을 보여 주목받아 왔다. 다만 이 촉매는 제조·반응 과정에서 산화물과 금속 상태 사이 상전이, 결함·결정립계 형성 등 복잡한 구조 변화를 겪어 성능 향상의 정확한 원인을 두고 논쟁이 이어져 왔다.

공동 연구팀은 촉매 물질 자체뿐 아니라 전해질 이온의 역할에 주목해 산화구리를 중탄산나트륨(NaHCO₃) 전해질에서 전기화학적으로 환원해 산화물 유래 구리 촉매를 제작한 뒤, 극저온 원자탐침단층촬영법으로 촉매 내부 원자 분포를 3차원 분석했다. 반응 직후 시료를 극저온에서 얼린 상태로 보존한 뒤 구성 원자의 종류와 위치를 3차원으로 재구성한 결과, 촉매 내부 나노 결함과 결정립계에 전해질에서 유래한 나트륨 이온이 미량 포획돼 표면 아래 수십 나노미터 깊이까지 존재하는 것이 확인됐다.

연구팀은 나트륨 이온이 포함되지 않은 대조군 촉매를 별도로 제조해 이산화탄소 환원 성능을 비교했다. 두 촉매는 구조적 특성이 유사했지만, 나트륨 이온이 없는 촉매의 이산화탄소 전환 효율은 크게 떨어졌다. 또 실시간 라만 분광법과 계산화학 분석을 통해, 나트륨 이온 불순물이 촉매 활성에 중요한 1가 구리 활성종을 안정화하는 역할을 한다는 점을 확인했다. 나트륨-구리-산소 화합물 자체가 직접적인 활성점으로 작용한다기보다, 촉매 내부 전하 균형과 국소 전자구조를 조절해 불안정한 1가 구리종을 더 오래 유지하도록 돕는 ‘숨은 조절자’로 기능한다는 것이다.

연구진은 재료과학에서 소량 불순물이 물질 성질을 개선하는 사례에 비춰, 구리 촉매 내부 나트륨 이온을 촉매 성능을 높이는 긍정적인 불순물로 해석했다. 순수 철에 소량 탄소가 들어가 강철이 되고, 실리콘 반도체에 미량 원소를 넣어 전기 특성을 조절하는 것처럼, 알칼리 금속 이온이 촉매 내부 결함·결정립계에 포획돼 활성 구리종을 안정적으로 유지함으로써 일산화탄소·에틸렌 등의 생성물 형성을 촉진하는 구조라는 설명이다.

최창혁 교수는 “산화물 유래 구리 촉매 내부에 침투한 나트륨 이온이 활성점을 안정화하는 역할을 원자 수준에서 직접 규명했다는 데 의의가 있다”며 “앞으로 전해질 조성과 촉매 내부 미세구조의 관계를 더 정밀하게 규명해 수전해, 질소 환원 등 다양한 전기 촉매 시스템으로 연구를 확장할 계획”이라고 밝혔다. 그는 또한 “고성능 이산화탄소 환원 촉매를 설계할 때 촉매 조성뿐 아니라 전해질 이온과 전압 운전 조건까지 함께 고려해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시한 만큼, 알칼리 금속 불순물이 포함된 미세구조를 안정적으로 형성·유지할 수 있는 합성법과 전기화학 운전법을 개발하는 것이 향후 과제”라고 덧붙였다.

연구팀은 산화물 유래 구리 촉매가 대기 환경에서 변질되기 쉬운 점을 극복하기 위해, 반응 직후 시료를 급속 냉각해 극저온 조건에서 분석하는 방식으로 촉매의 동적 구조를 포착했다. 향후 전극 대형화, 막 기반 전해조, 고전류 운전 등 산업적 조건에서 미량 불순물을 활용해 촉매 핵심 활성점을 유도하는 설계·운전 전략을 모색함으로써, 이산화탄소를 보다 효율적으로 유용한 화학 원료로 전환하는 기술 개발에 기여한다는 목표다.