KIST(원장 이병권)는 황윤정 청정에너지연구센터 박사 연구팀과  KAIST(총장 신성철)의 김형준 교수 연구팀이 공동연구를 통해 이산화탄소를 전환, 에틸렌과 에탄올 등 산업에서 활용 가능한 탄소화합물을 만들어내는 새로운 전기 촉매 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

전기화학적 이산화탄소 전환기술은 일산화탄소나 포름산만을 선택적으로 생성하는 고성능 촉매 소재들이 최근 다양하게 개발됐다. 그러나 에틸렌과 에탄올 등 탄소가 두개 이상인 다탄소 화합물을 만드는 기술은 아직 생성전류 선택도가 40~70% 수준으로 충분한 촉매 기술이 확보되지 못했다.

또 현재까지 전기화학적 이산화탄소 전환으로 에틸렌을 생성할 수 있는 유일한 소재는 구리 금속으로 알려지며 다양한 촉매 소재 설계에 한계가 있었다.

연구팀은 구리촉매에 세리아(CeO₂)라는 금속산화물을 도입, 나노 계면을 조절함으로써 다탄소 화합물 선택도를 향상시킬 수 있는 신규 촉매 설계 기술을 개발했다. 균일한 구리 촉매 표면이 다탄소 생물물 합성에 적절치 못하다는 이전 연구 결과를 바탕으로 다양한 화합물을 만들 수 있도록 이종의 소재를 도입하는 접근법을 사용했다.

그 결과 기존 구리 나노입자의 단일 촉매는 에틸렌·에탄올의 생성전류 선택도가 40% 미만이었던 반면, KIST 연구진이 개발한 촉매는 65%로 높은 생성전류 선택도를 보였다.

연구팀은 계산, 화학적 모델링으로 다양한 촉매 반응 원인도 규명했다. 구리와 세리아의 계면 조절로 이산화탄소 전환 생성물의 비율을 조절했고 일산화탄소나 메탄 같이 탄소가 하나인 화학물에 비해 에틸렌·에탄올 등의 다탄소 화합물의 비율을 향상시키는 구조를 찾는데 성공했다.

황윤정 박사는 "이산화탄소 전환 생성물의 다양성을 높이는 촉매 소재의 연구가 도전적이지만 새로운 가능성을 제시할 수 있을 것"이라며 "이번 연구로 촉매 반응의 이해와 촉매 소재 개발 전략은 다탄소 화합물 합성 성능 향상에 기여해 이산화탄소 활용 기술의 실용화 가능성이 높다"고 기대했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화대응기술개발사업(차세대탄소자원화 사업단, 단장 전기원)으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 과학전문지인 'ACS Energy Letters(IF : 16.33, JCR 분야 상위 1.92%)' 최신호에 게재됐다. 제 1저자는 이찬우 국민대 조교수, 신승재 KAIST 박사과정, 교신저자는 황윤정 KIST 책임연구원, 김형준 KAIST 교수.