[한국기술뉴스] 기후변화의 주범인 이산화탄소를 유용한 자원으로 바꾸는 이산화탄소 전환 기술은 탄소중립 달성을 위해 꼭 필요한 기술이다. 다만 전기화학적 전환 과정에는 촉매가 사용되는데, 구조가 단순한 기존의 단일 원자 촉매는 활성에 한계가 있었다. 촉매의 활성이 높아지면 전환 효율을 높일 수 있기 때문에, 활성이 높은 촉매를 설계하는 것은 전기화학 촉매 분야에서의 중요한 과제로 여겨졌다.

포항공과대학교 화학공학과 한정우 교수·잉 왕(Ying Wang) 박사·박사과정 박병준 씨 연구팀은 포항가속기연구소 이국승 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 철(Fe) 원자가 이중으로 들어간 전기화학적 촉매를 설계하는 기술을 개발했다.

전기화학적 촉매는 화학 반응물과 촉매 표면에서 반응해 이를 분해·합성함으로써 유용한 합성가스나 전기를 생성하는 역할을 한다. 촉매 반응 과정에서 생겨나는 중간체*1들의 흡착 에너지는 적정선을 유지해야 오히려 활성을 극대화시킬 수 있다. 촉매 표면이 반응물과 너무 강하게 결합하면 촉매의 활성이 낮아지고, 반대로 너무 약해도 촉매가 반응을 촉진하는 본연의 역할을 하지 못하기 때문이다.

연구팀은 질소를 도핑한 탄소에 철 단일 원자(Fe1-N-C) 또는 이중 원자(Fe2-N-C) 자리를 갖는 전기화학 촉매를 구성하도록 했다. 이에 더해 3세대 방사광가속기를 이용해 이중 원자 촉매의 원자 단위 구조를 밝혔다. 이 구조를 모사해 철 이중 원자 사이의 결합으로 이산화탄소 반응의 중간체인 일산화탄소(CO) 흡착 세기를 조절할 수 있음을 확인했다. 흡착 세기를 적절하게 조절할 수 있게 되면 이산화탄소 전환 반응의 활성을 높여 전환율을 향상할 수 있다.

연구 결과, 이중 원자 촉매의 이산화탄소 전환 효율은 단일 원자 촉매보다 2.8배 높은 것으로 확인됐다.

한정우 교수는 “이번 연구는 이중 원자 촉매를 비교적 간단하게 합성할 수 있음을 밝혔다”며 “이 촉매는 이산화탄소 전환뿐만 아니라 산소 환원 반응, 수소 발생 반응, 수전해 반응, 질소 환원 반응 등 다양한 전기화학 반응을 위한 촉매로도 응용할 수 있다”고 활용 가능성을 설명했다.

에너지 분야 저명 국제 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 표지논문으로 최근 게재된 이 연구성과는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 이뤄졌다.