GIST, CO₂로 고부가가치 화학연료 생산 전환효율 기술 개발…e-CCUs 새로운 가능성 제시

구리인 전극촉매를 통한 CO₂로부터의 다탄소화합물(C₃+) 생산 가능한 e-CCUs 기술.

광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 이재영 환경·에너지공학과 교수(화학에너지 저장 및 변환공정 미래연구센터장)팀이 이산화탄소(CO₂)를 사용해 고부가가치 화합물 알릴 알코올을 세계 최고 수준 '부분 고전류밀도'로 생산할 수 있는 전기화학 전환기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

알릴 알코올은 이중 결합을 가진 알릴기(-CH₂CH=CH₂)와 수산기(-OH)를 함께 포함한 구조로 다양한 화학 반응에 활용될 수 있는 매우 유용한 물질이다. 플라스틱, 접착제, 살균제, 향료 등 여러 산업 분야에서 고분자 화합물을 합성하는 데 필수적인 원료로 사용해 산업적 가치가 매우 높다.

CO₂의 전기화학적 환원 기술은 지구 온난화의 주범인 CO₂를 유용한 물질로 전환할 수 있는 탄소중립 시대의 핵심 기술이다. 하지만 알릴알코올과 같은 탄소 원자 수가 3개 이상인 고부가가치 화합물을 선택적으로 생산하는 것은 패러데이 효율(전기화학 반응에서 사용된 전기가 실제로 원하는 화학물질을 만드는 데 얼마나 효과적으로 쓰였는지를 나타내는 지표)이 15% 미만으로 매우 낮다. 반응 경로가 복잡하고 중간체의 안정성도 떨어져 기술적인 제약이 컸다.

특히 액체 상태의 고부가가치 화합물은 탄소-탄소(C-C) 결합을 만드는 것이 까다롭고 반응 중간체의 안정성이 떨어져 생산이 매우 까다로운 것으로 알려져 있다.

왼쪽부터 시계방향으로 최민준 박사(현 미국 일리노이대학교 어바나샴페인), 이재영 교수, 배수안 박사.

연구팀은 이번 연구에서 66.9%의 패러데이 효율을 달성했다. 이는 기존 최고 기술보다 효율이 약 4배 높은 수준이다. 이처럼 높은 효율은 불필요한 부산물 생성은 최소화하고, 원하는 물질만을 선택적으로 생산할 수 있는 촉매의 탁월한 선택성을 입증했다. 전극 단위면적당 1100 mA ㎝⁻²를 인가할 수 있는 공정에서 735.4 mA ㎝⁻²의 부분 전류 밀도와 1643 μ㏖ ㎝⁻² h⁻¹의 생산 속도를 기록하며 세계 최고 수준의 성능을 입증했다.

이 기술 개발로 고부가가치 화학 물질인 알릴 알코올을 안정적으로 대량 생산할 수 있게 되면서 실제 산업 현장에서 활용될 가능성이 매우 커졌다. 경제성이 있는 전기화학 탄소 포집 및 활용 기술(e-CCUs)의 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대한다.

이재영 교수는 “이번에 개발한 이산화탄소 전환공정기술은 이산화탄소 배출에 따른 부담감이 가중되고 있는 석탄·석유화학 산업과 제철 산업에게 위기를 극복할 수 있는 새로운 비지니스 방향성을 제시할 수 있는 돌파구로서 평가 받을 수 있다”고 말했다.

이어 “스케일-업, 즉 규모의 과학기술 접근법을 통해 탄소중립 시대로 나아가는 중요한 발판이 될 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

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