KAIST, 이산화탄소→고부가 물질 전환 고효율 '단서' 발견

싼 중성 전해물 사용, 이산화탄소 전환율 및 다탄소화합물 선택도 3~4배 개선

촉매 전극 수명 연장 등 기존 공정 유지비용 절감도 기대

[대전=뉴시스] 촉매 층의 구조, 이산화탄소 공급 농도, 이산화탄소 공급 유량에 따른 촉매 층 내부 이산화탄소 농도 제어방법을 나타내는 모식도(위). 촉매 층 내부 이산화탄소 농도와 다탄소화합물의 선택도 간의 관계를 나타내는 그래프.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 고부가가치 물질인 다탄소화합물로 효과적으로 전환할 수 있는 새로운 단서를 찾아냈다.

KAIST는 신소재공학과 오지훈 교수 연구팀이 이산화탄소 전기화학 환원반응 시 값싼 중성 전해물(전해질)에서 다탄소화합물을 선택적으로 생성할 수 있는 공정을 개발했다고 3일 밝혔다.

오 교수팀은 중성 전해물을 사용해 구리(Cu) 촉매 층 내부의 이산화탄소 농도를 조절, 기존 공정과 비교해 각 이산화탄소 전환율은 5.9%에서 22.6%로, 다탄소화합물 선택도는 25.4%에서 약 62%까지 대폭 높아진 공정과 촉매 층 구조를 개발했다.

탄잉촨 박사 후 연구원과 이범려 석사과정이 제1 저자, 송학현 박사과정 대학원생이 제2 저자로 참여한 이번 연구결과는 셀 프레스(Cell press)에서 발간하는 에너지분야 국제학술지 '줄(Joule)' 5월호 특집논문(Featured article)으로 게재됐다.논문명:Modulating Local CO2 Concentration as a General Strategy for Enhancing C?C coupling in CO2 Electroreduction.

이산화탄소를 전기화학적으로 환원 반응시키면 수소, 일산화탄소, 메탄 등 다양한 물질이 동시에 생성되며 이 중 2개 이상의 탄소로 구성된 다탄소화합물이 산업적으로 중요한 가치를 갖는다.

기존 연구는 탄소화합물의 선택도를 높이기 위해 주로 알칼리성 전해물에 의존해 새로운 촉매 개발에 집중해왔으나 알칼리성 전해물 적용한 공정은 유지비용이 높고 촉매 전극의 수명이 짧다는 단점이 있다.

오 교수 연구팀은 이번 연구서 구리 촉매 층 내부의 이산화탄소 농도를 감소시켜 중성 전해물에서 기존에 보고된 연구 성과를 뛰어넘는 고성능을 확보했다.

특히 중성 전해물을 사용했음에도 사용된 전극은 10시간이 넘도록 일정하게 높은 다탄소화합물의 선택도와 생성량을 유지한 것으로 나타났다.

연구팀은 또 이산화탄소의 물질이동 모사 모델을 활용해 구리 촉매 층의 구조와 이산화탄소 공급 농도, 유량을 제어해 촉매 층 내부의 이산화탄소 농도를 조절하는 데도 성공했다. 그 결과, 내부의 농도가 최적일 때 다탄소화합물의 선택도가 높아짐을 확인할 수 있었다.

오 교수는 "연구팀이 발견한 촉매 층 내부의 이산화탄소 농도와 다탄소화합물의 선택도 간의 관계는 그동안 촉매 특성에 치우쳐있던 연구에 새로운 방향을 제시했다"며 "산업적 활용에서 공정 유지비용 절감은 물론 촉매 전극 수명 연장에 이바지할 것으로 기대된다"고 말했다.

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

◎공감언론 뉴시스 kys0505@newsis.com

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