▲ 개발된 세 가지 크기의 은 나노 입자들과 전기화학적 이산화탄소 환원반응의 일산화탄소로 전환 반응성 및 선택성을 나타낸 결과. 과전압의 감소와 80% 이상의 일산화탄소 전환율을 확인..

국내 연구진이 직접 화학원료를 만들 수 있는 저비용·고성능 이산화탄소 환원 촉매 개발에 성공했다. 연구진은 향후 인공광합성 상용화까지 나선다는 계획이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사 연구팀(이하 연구팀)은 은 나노 입자를 탄소 담지체에 직접 성장(은 이온이 탄소 담지체에 수백에서 수천 개 모이면서 3, 5, 10 nm 나노 크기로 커지게 됨)시켜, 선택적으로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는 고효율 촉매를 새롭게 개발했다.

일산화탄소와 수소의 혼합기체는 합성기체라고 불리며 다양한 화합물을 합성하는데 쓰이는 유용한 기체 화학원료다.

이산화탄소를 환원해 고부자 화학원료로 바꾸는 반응에는 높은 과전압이 필요해 낮은 과전압에서도 선택적으로 생성물을 만들어내는 촉매개발이 인공 광합성 기술의 상용화에 필수적으로 요구되고 있었다.

특히 수용액에서 이산화탄소 환원반응은 물이 직접환원되어 수소가 생성되는 반응과 경쟁적이어서 효율적인 이산화탄소 환원 촉매의 개발이 매우 중요했다.

현재까지는 금촉매가 이산화탄소를 일산화탄소로 환원 시키는데 가장 효과적이었지만 비싼 가격과 낮은 안정성의 한계를 가지고 있었다. 또한 은은 금에 비해 과전압이 많이 필요해 낮은 가격에도 주목을 못받았다.

이에 연구팀은 은 나노 입자를 탄소 담지체 위에 직접 성장시켜 이를 이산화탄소로부터 일산화탄소를 기존 은 촉매에서 필요하던 과전압보다 40% 줄어든 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여주었다.

또한 연구팀이 개발한 은 나노 촉매는 이산화탄소로부터 선택도 80% 이상으로 일산화탄소를 생산하였고, 특히 은 촉매의 단위 질량당 높은 반응성을 보였다. 이 결과는 현재 보고된 은 촉매들의 성능 중 최고 수준으로, 적은 양의 촉매로도 높은 활성을 기대할 수 있게 되었다.

개발된 촉매는 은 나노 입자와 탄소 담지체가 효과적으로 결합하여 이산화탄소 환원 반응 후에도 비교적 높은 안정성을 보였다. 연구팀은 향후 연구팀이 구현한 바 있는 일체형 인공광합성 디바이스에 적용함으로써 인공 광합성 기술의 상용화를 한층 앞당길 전망이다.

연구팀은 “이번에 개발된 저가, 고효율의 이산화탄소 환원 촉매는 향후 태양 빛만으로도 원하는 고부가 화학원료를 직접 생산 할 수 있는 미래형 화학원료 생산 시스템 상용화에 큰 기여를 할 것”이라고 밝혔다.

한편, 본 연구는 KIST 미래원천 연구사업 및 미래부 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명한 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS) 11월4일자에 게재됐다.