대기 중의 온실가스를 제거하고 미래 청정 원료를 생산하기 위해 신재생에너지를 활용한 전기화학적 전환 기술은 탄소중립 달성을 위한 산업계 체제 전환 대응 핵심 기술로 주목받고 있다. 하지만 이산화탄소를 산업적으로 분해·활용하기 위한 고성능 촉매 개발은 화학반응 메커니즘과 촉매 활성 부위가 명확히 밝혀지지 않아 큰 어려움을 겪어 왔다.

KAIST(카이스트)는 박정영(사진) 화학과 교수 연구팀이 이산화탄소 전기환원 과정에서 단원자 구리 금속 촉매가 분해되는 과정을 실시간 원자단위로 관찰하고, 주된 반응 활성자리임을 규명하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

연구팀은 전기화학 주사 터널링 현미경 분석법을 적용해 단원자 구리금속 촉매 표면에서 일어나는 이산화탄소 환원반응을 관찰하고, 이때 표면에 형성되는 산화구리 나노 복합체가 주된 반응 활성자리임을 시각적 증거로 처음 제시했다. 연구진은 구리 전극 표면이 이산화탄소 전환 과정에서 환원되며 반응 활성도와 촉매 표면 구조가 달라진다는 점에 착안, 액체-고체 계면에서 단원자 구리금속 촉매 전극과 반응하는 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 원자단위로 포착했다.

박 교수는 “이번 연구는 액체-고체 계면 분석에 난항을 겪고 있는 상황에서 단원자 구리금속 기반 촉매 표면의 이산화탄소 전기환원 반응 현상을 원자수준으로 관찰할 수 있었 다”고 설명했다. 이어 “이러한 기술성과는 차후에 이산화탄소의 전기화학적 전환 연구 외에도 탄소중립 정책을 위한 다양한 촉매 소재 연구개발에 기여할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

이번 연구성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 내부 표지 논문으로 선정돼 11월 29일 게재됐다.

구본혁 기자