- 성균관대 이효영 교수팀, 전환 선택률 69% 달성

단일 원자 이합체 촉매가 특징인 MEA 시스템 개략도.[성균관대학교 제공]
단일 원자 이합체 촉매가 특징인 MEA 시스템 개략도.[성균관대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 부산물 분리 없이 고부가가치 화합물 에탄올을 선택적으로 생산할 수 있는 기술 개발에 성공했다.

한국연구재단은 성균관대학교 이효영 교수 연구팀이 이산화탄소를 에탄올로 고효율 전환하는 단일 원자 이합체 전기촉매 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

이산화탄소를 포집·활용해 고부가가치 화합물로 재탄생시키는 기술은 탄소중립의 핵심 열쇠로 꼽힌다. 하지만 기존 촉매 기술은 반응 과정에서 여러 부산물을 생산 이를 고순도로 추출하기 위한 대형 정제 설비와 추가 에너지가 필요하다. 이는 곧 상업적 경제성을 떨어뜨리는 주요 원인으로 작용했다.

실제 상업용 셀 환경에서도 부산물 분리 없이 고순도 화합물만을 선택적으로 생산할 수 있는 이산화탄소 환원(CO2RR) 촉매 기술 개발이 시급한 과제로 요구돼 왔다.

연구팀은 뛰어난 전도성을 가진 N-도핑 그래핀 기판 위에 구리(Cu)와 아연(Zn) 금속 원자를 1개씩 짝을 지어 배치된 단일 원자 이합체 촉매를 새로 개발했다.

단일 원자 촉매는 원자 활용도가 극대화된다는 장점이 있지만, 원자 1개 만으로는 이산화탄소를 복잡한 에탄올 분자로 바꾸기에는 한계가 있었다.

연구팀이 개발한 단일 원자 이합체 촉매는 두 개의 인접한 금속 원자가 서로 협력하여 반응을 촉진, 이산화탄소를 에탄올로 전환하는 데 가장 까다롭고 중요한 탄소 간 결합(C-C 결합) 반응을 효과적으로 촉진하고 전환 효율을 극대화했다.

특히 실험실 수준 기본 테스트(3전극 방식)를 넘어, 실제 산업 현장에서 사용하는 상업용 멤브레인 전극 조립체(MEA) 셀 시스템에 직접 적용해 그 성능을 검증했다.

이효영 성균관대학교 교수.[성균관대학교 제공]
이효영 성균관대학교 교수.[성균관대학교 제공]

기존 촉매는 실제 상업용 셀에 적용하면 성능이 급격히 떨어지는 한계를 보였으나, 이번에 개발된 촉매는 별도의 정제 공정 없이도 보고된 값 중 최고 수준인 69%의 에탄올 선택성을 기록했다. 또 성능 저하없이 55시간 동안 안정적으로 반응을 유지했다.

이효영 교수는 “이번 연구가 실용화되면 이산화탄소를 에탄올로 전환하는 기술이 기후변화 문제 해결에 크게 기여할 것”이라며 “촉매설계와 MEA 기술의 지속적인 개발이 이산화탄소 전기 환원 상용화를 앞당기는데 도움이 될 것으로 본다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 지원사업으로 수행된 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 엔바이론멘탈 앤 에너지’에 7월 1일 게재됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com