신개념 나노촉매로 이산화탄소 70% 이상 에틸렌으로 변환

2019.04.28 10:04
캐나다 스타트업 카본 엔지니어링이 계획하고 있는 대규모 이산화탄소 포집기의 상상도. 카본 엔지니어링 제공
캐나다 스타트업 '카본 엔지니어링'이 계획하고 있는 대규모 이산화탄소 포집기의 상상도. 카본 엔지니어링 제공

이산화탄소를 70% 이상 에틸렌으로 변환할 수 있는 전기화학 나노촉매 기술이 개발됐다. 

 

KAIST는 송현준 화학과 교수 연구팀이 중성 탄산수 전해질을 이용해 이산화탄소로 에틸렌을 변환하는 촉매기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 촉매에 활용된 이산화탄소의 에틸렌 변환율은 70% 이상이다. 수소 외에는 부산물이 나오지 않아 다양한 에너지를 생성해내는 게 특징이다. 

 

전기에너지를 이용한 이산화탄소 변환기술은 메탄이나 에틸렌, 에탄올 등 탄소화합물을 만들 수 있어 활용가치가 높다. 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있다는 장점이 있지만 지금까지 개발된 전기화학 촉매는 다양한 혼합 생성물이 함께 만들어지기 때문에 추가 분리 과정이 필요하다는 한계가 있다. 

 

이같은 한계를 극복하기 위해 연구팀은 구리산화물 육면체 나노입자를 합성한 뒤 산화시켜 가지 모양의 구리산화물 나노입자로 합성했다. 이를 탄소 지지체 표면에 담아 구리산화물-탄소 전극 물질로 활용, 중성 수용액에서 반응 실험을 진행한 결과 이산화탄소로부터 70% 이상의 에틸렌을 얻는 데 성공했다. 

 

연구팀은 또 부산물 발생을 억제하기 위해 구리산화물이 전기에너지에 의해 환원될 때 그 구조가 작은 결정 크기를 갖도록 유도했다. 이를 통해 형성된 4~5나노미터(10억분의 1미터) 크기의 구리산화물 구조는 표면 반응성이 크게 향상되는 동시에 탄소 물질에 의해 안정화된 촉매 구조를 갖게 됐다. 

 

연구팀은 이번에 개발한 전기화학 촉매가 나노입자 촉매 중에서는 가장 높은 전류밀도와 안정성을 보였으며 특히 모든 촉매를 통틀어 중성 수용액 조건에서 가장 뛰어난 에틸렌 선택성을 보였다고 평가했다.


송현준 교수는 “전기에너지를 이용한 이산화탄소의 직접 변환 반응은 높은 효율에 비해 선택성이 낮았으나, 이번 연구처럼 촉매 구조를 나노 수준에서 균일하게 조절하는 경우 반응 특성을 크게 높일 수 있다”라며 “이번 연구는 나노 수준의 촉매 디자인이 고효율 에너지 제조 촉매 개발에 필수적인 역할을 하고 있음을 보여준다.”라고 말했다. 연구결과는 국제학술지 ‘미국화학회지’에 게재됐다. 
 

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