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이산화탄소 고부가가치 물질로 전환 가능해진다

KAIST, 오지훈 신소재공학과 교수 연구팀 '다탄소화합물' 선택 공정 개발
에틸렌이나 에탄올, 프로판올 등 산업분야 활용 높은 화합물 전환 가능
사진 뒤 왼쪽부터 시계방향 송학현 박사과정, 오지훈 교수, 탄잉촨 박사후 연구원, 이범려 석사과정.<사진= KAIST>사진 뒤 왼쪽부터 시계방향 송학현 박사과정, 오지훈 교수, 탄잉촨 박사후 연구원, 이범려 석사과정.<사진= KAIST>

지구온난화 주범 기체인 이산화탄소(CO₂)를 에틸렌이나 에탄올, 프로판올 등 산업분야에서 활용할 수 있는 고부가가치 화합물로 전환 가능해질 것으로 기대된다.

KAIST(총장 신성철)는 오지훈 신소재공학과 교수 연구팀이 이산화탄소의 전기화학 환원 반응 시 값싼 중성 전해물(전해질)에서도 다탄소화합물을 선택적으로 생성할 수 있는 공정을 개발했다고 3일 밝혔다.

각국은 지구온난화의 주요 원인인 이산화탄소를 적극적으로 줄이기 위해 이를 고부가가치 물질로 전환하는 연구를 활발하게 진행하고 있다. 이산화탄소를 전기화학적으로 환원 반응시키면 수소, 일산화탄소, 메탄 등 다양한 물질이 동시에 생성되는데 그중 2개 이상의 탄소로 구성된 다탄소화합물이 산업적으로 중요한 가치로 주목받는다.

기존 연구는 탄소화합물의 선택도를 높이기 위해 주로 알칼리성 전해물에 의존해 새로운 촉매 개발에 집중해 왔다. 다만 알칼리성 전해물은 부식성과 반응성이 크기 때문에 이를 적용한 기존 공정은 유지비용이 비싸고 촉매 전극의 수명도 짧다는 단점이 있다.

연구팀은 기존과 달리 중성 전해물을 사용해 구리(Cu) 촉매 층 내부의 이산화탄소 농도를 조절했다. 기존에는 구리 촉매층 내부의 이산화탄소 농도를 감소시키면 성능이 떨어진다고 여겨져 왔다. 하지만 연구팀의 연구결과 중성전해물이 기존 연구성과를 뛰어넘는 고성능을 보였다. 기존 공정과 비교해 각각 이산화탄소 전환율이 5.9%에서 22.6%로 다탄소화합물 선택도는 25.4%에서 62%까지 대폭 높아졌다. 특히 10시간이 넘도록 일정하게 높은 다탄소화합물의 선택도와 생성량을 유지하는 것으로 나타났다.

또 이산화탄소의 물질이동 모사 모델 결과를 활용해 구리 촉매층의 구조와 이산화탄소 공급 농도, 유량을 제어한 결과, 촉매층 내부의 이산화탄소 농도를 조절하는데도 성공했다. 연구팀은 내부 농도가 최적일 때 다탄소화합물의 선택도가 높아짐을 확인했다.

오 교수는 "연구팀이 발견한 촉매 층 내부의 이산화탄소 농도와 다탄소화합물의 선택도 간 관계는 그동안 촉매 특성에 치우쳐 있던 연구에 새로운 방향을 제시하고, 동시에 산업적 활용에서 공정 유지비용 절감은 물론 촉매 전극 수명 연장에 이바지할 것으로 기대된다"고 설명했다.

제1 저자인 탄잉촨 박사 후 연구원도 "촉매 특성을 바꾸지 않고, 단순히 이산화탄소 농도만 바꿔도 다탄소화합물의 선택도를 크게 개선할 수 있었다"면서 "이번 연구에서 밝힌 이산화탄소의 새로운 전기화학적 전환 기술은 기존 석유화학산업에 새로운 변화를 가져오는 전환점이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구에는 탄잉촨 박사후 연구원과 이범려 석사과정이 제1저자, 송학현 박사과정생이 제2저자로 참여했다. 결과는 셀프레스(Cell press)에서 발간하는 에너지 분야 국제 학술지 '줄(Joule)' 5월호에서 편집자에게 높은 평가를 받은 특집논문으로 게재됐다.
촉매 층의 구조, 이산화탄소 공급 농도, 이산화탄소 공급 유량에 따른 촉매 층 내부 이산화탄소 농도 제어 방법을 나타내는 모식도. 촉매 층 내부 이산화탄소 농도와 다탄소화합물의 선택도 간의 관계를 나타내는 그래프.<사진= KAIST> 촉매 층의 구조, 이산화탄소 공급 농도, 이산화탄소 공급 유량에 따른 촉매 층 내부 이산화탄소 농도 제어 방법을 나타내는 모식도. 촉매 층 내부 이산화탄소 농도와 다탄소화합물의 선택도 간의 관계를 나타내는 그래프.<사진= KAIST>

 
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