온실가스 이산화탄소를 고부가가치 에탄올로…

국내 연구진이 별도의 부산물 분리 공정 없이 고순도 에탄올을 선택적으로 생산할 수 있는 전기촉매 기술을 개발했다. 에탄올은 재생 가능한 바이오 연료나 소독제 등으로 쓰이는 고부가가치 화학물질이다.

한국연구재단은 성균관대학교 화학과 이효영 교수 연구팀이 이산화탄소를 에탄올로 고효율 전환하는 단일 원자 이합체 전기촉매 기술을 개발했다고 밝혔다.

이산화탄소를 포집하고 활용해 고부가가치 화합물로 재탄생시키는 기술은 탄소중립의 핵심 열쇠로 꼽힌다. 그러나 기존 촉매 기술은 반응 과정에서 여러 부산물을 만들어내기 때문에 고순도 추출을 위한 대형 정제 설비와 추가 에너지가 필요해 상업적 경제성을 떨어뜨리는 요인이 됐다. 이 때문에 실제 상업용 셀 환경에서도 부산물 분리 없이 고순도 화합물만을 선택적으로 생산할 수 있는 이산화탄소 환원 촉매 기술 개발이 요구되어 왔다. 연구팀은 뛰어난 전도성을 가진 질소 도핑 그래핀 기판 위에 구리와 아연 금속 원자를 1개씩 짝을 지어 배치한 단일 원자 이합체 촉매를 새로 개발했다.

단일 원자 촉매는 원자 활용도가 높지만 단일 원자만으로는 이산화탄소를 에탄올 분자로 변환하는 데 한계가 있었다. 연구팀이 개발한 단일 원자 이합체 촉매는 인접한 두 개의 금속 원자가 협력해 이산화탄소 환원 과정에서 필수적인 탄소 간 결합(C-C 결합) 반응을 촉진하는 원리다.

특히 연구팀은 실험실 수준의 기본 평가를 넘어 실제 산업 현장에서 쓰이는 상업용 멤브레인 전극 조립체(MEA, Membrane Electrode Assembly) 셀 시스템에 촉매를 직접 적용해 성능을 검증했다. MEA는 기준 전극 없이 작동하는 이전극 시스템으로 실제 산업 응용에 적합한 방식이다.

기존 촉매는 실제 상업용 셀에 적용하면 성능이 급격히 떨어지는 한계를 보였으나, 새로 개발된 촉매는 별도의 정제 공정 없이도 최고 수준인 69%의 에탄올 선택성을 기록했다. 연구팀은 실시간 라만 분광학, 동위원소 표지 실험, 밀도 범함수 이론 계산을 활용해 촉매의 전하 이동과 반응 메커니즘을 규명했다.

분석 결과 아연은 구리와 직접 결합해 일산화탄소를 공급하는 동시에 구리의 산화 상태를 조절하는 것으로 나타났다. 이 과정에서 구리 표면의 일산화탄소 양성자화가 촉진돼 비대칭 결합이 활성화되고, 최종적으로 에탄올이 합성되는 메커니즘을 규명했다.

이 촉매는 성능 저하 없이 55시간 동안 안정적으로 반응을 유지하는 것으로 확인됐다. 이효영 교수는 “실제 상업용 MEA 셀 환경에서 이산화탄소로부터 고순도 에탄올을 직접 생산할 수 있는 경로를 확보했다”며 “탄소중립 실현을 위한 친환경 화학 원료 생산 기술로 응용할 수 있을 것”이라고 강조했다.