신재생에너지 기반 탄소화합물 제조기술 열쇠 '촉매' 개발 청신호

신재생에너지를 기반으로 기후변화의 원인이 되는 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 만드는 e-케미컬 연구가 활발한 가운데, 국내 연구진이 '산업의 쌀'이라고 불리는 에틸렌 생성 반응의 핵심 중간경로를 규명하는데 성공했다. 향후 기후변화 대응과 청정 차세대 탄소자원화 기술 개발에 돌파구가 될 것으로 기대된다.

숙명여대(총장 )는 김우열 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 청정에너지연구센터 황윤정 박사 연구팀과 공동으로 이산화탄소가 환원돼 에틸렌이 합성되는 과정에서 구리 기반 촉매의 표면에 흡착한 반응 중간체를 관찰하고 실시간으로 거동을 분석하는 데 성공했다고 9일 밝혔다.

김우열 교수에 따르면 그동안 구리 기반 촉매는 이산화탄소를 전환해 상대적으로 간단한 일산화탄소나 개미산뿐만 아니라 탄소가 두 개 이상인 에틸렌, 메탄, 에탄올 등의 다탄소 화합물도 합성할 수 있는 것으로 보고돼왔다.

그러나 탄소와 탄소 결합 반응의 주요 중간체와 경로에 대해서는 밝혀진 바가 없어 고부가가치 화합물을 선택적으로 합성하는 제어기술의 발전은 한계에 부딪혀 왔다.

이에 연구팀은 적외선분광학 분석법을 적용해 나노구리입자 촉매 표면의 이산화탄소 전환 반응에서 일산화탄소 외에 에틸렌이 되는 과정의 중간체(OCCOH)와 메탄을 생성하는 중간체(CHO)를 각각 관찰했다.

그 결과, 일산화탄소와 에틸렌 중간체(OCCOH)는 같은 시간대에 생성되는 반면, 메탄올 중간체(CHO)는 두 중간체에 비해 상대적으로 느리게 생성되는 것을 발견해 반응경로를 제어하면 촉매 표면에서 화합물 생성의 선택도를 더욱 향상시킬 수 있다는 가능성을 확인했다.

이와 함께 탄소-탄소 결합을 촉진해 에틸렌 생성에 뛰어난 성능을 보이는 새로운 촉매 소재로 구리수산화물 나노와이어를 제시했다. 연구팀은 구리수산화물 유래 촉매 표면에 일산화탄소(CO)가 흡착할 수 있는 다양한 자리가 존재하며, 이중 특정자리에 흡착한 일산화탄소가 빠르게 탄소-탄소 결합의 중간체를 생성한다는 것을 확인할 수 있었다. 추가 연구를 통해서 그 동안 논쟁의 대상이었던 탄소-탄소 결합 반응의 활성 자리 규명에도 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다.

김우열 교수는 "이번 연구는 기후변화의 원인으로 지목되는 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 e-케미컬 기술 발전의 중요한 단초가 될 것으로 기대된다"며 "촉매 소재의 원천 기술 확보 이후 전기화학 반응기 기술 개발, 플랜트 공정 기술을 개발해 최종 활용하는 단계의 후속 연구가 원활히 이어질 경우 기후변화대응기술로서 높은 가치가 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 에너지·환경과학 분야 국제 학술지인 'Energy & Environmental Science' (IF : 30.289, JCR 분야 상위 0.189%) 최신 호에 게재됐다.