▲ 수돗물 기반 전기화학적 CO2 환원 전해 시스템 및 내구성 평가 결과

이산화탄소를 화학 원료로 만드는 저비용 고효율 인공광합성 촉매가 개발돼 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 실용화를 위한 발판이 마련됐다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진)은 청정에너지연구센터 오형석, 이웅희 박사 연구팀이 인공광합성 기술 분야의 실용화에 문제점 중 하나였던 산소 발생 전극의 귀금속 촉매를 줄일 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

인공광합성 기술은 식물처럼 물과 햇빛, 이산화탄소를 이용해서 엽록소가 촉매제 역할을 해 수소와 산소로 변환시키는 과정을 인공적으로 만드는 기술이다.

이 기술은 이산화탄소를 흡수해 청정에너지 및 부가가치를 갖는 화학 원료를 생산할 수 있어 큰 주목을 받고 있다.

이 기술의 상용화를 위해서는 식물의 엽록소 역할을 하는 촉매제의 효율 향상과 비용 절감이 필요하다.

효과적인 전기화학 촉매들이 연구됐지만, 이 중에서도 이리듐 촉매는 안정적이면서도 성능이 좋아 최고의 산소 발생 촉매로써 널리 알려져 있다.

반면에 이리듐은 매장량과 생산량이 적고 가격이 비싸 최근의 연구들에서는 이리듐 사용량을 감소시키면서도 촉매 성능을 높이기 위한 연구들이 중점적으로 진행되고 있다.

이리듐의 사용량을 줄이기 위한 가장 효과적인 방법은 값이 저렴한 금속 물질을 사용해 나노 크기의 이리듐 합금 촉매를 제조하는 것이다.

KIST-베를린 공대 공동 연구진은 이리듐 사용량을 줄이기 위해 이리듐-코발트 합금 나노 입자를 제조해 코어로 활용하고, 이리듐 산화물 껍질을 갖는 코어-쉘 구조의 나노 촉매를 개발했다.

KIST 연구진은 이러한 효과적인 촉매를 디자인하기 위해 다양한 실시간 분석법들을 활용했다.

실시간 X-선 흡수 분석법을 통해 코어-쉘 구조 촉매가 이리듐-산소 사이의 거리가 짧아 높은 성능을 보이는 구조임을 확인했으며, 전해질에 용해돼 손실되는 촉매의 양이 적어 내구성이 높음을 실시간 유도플라즈마 분석법을 통해  확인할 수 있었다.

이러한 결과들은 실제 촉매가 반응하는 과정에서 얻었다는 점에서 의미가 있으며, 향후 다양한 촉매 디자인에 활용될 계획이다.

KIST 연구진이 개발한 촉매는 귀금속인 이리듐을 기존 촉매보다 20% 적게 사용하고도 31% 이상 높은 성능을 보였으며, 실제적인 사용 가능성을 확인하기 위해 수돗물을 사용한 장기 테스트에서도 수백 시간 이상 성능을 유지하여 높은 내구성을 보였다.

또한 개발된 촉매를 실제 이산화탄소 전환 시스템에 적용한 결과 공정에 필요한 에너지가 반 이상 줄어들어, 기존 이리듐 산화물 촉매를 사용했을 때와 같은 전압으로도 화합물을 두 배 이상 만들 수 있었다.

KIST 오형석 박사는 “이리듐-코발트 합금 코어와 이리듐 산화물 쉘을 갖는 코어-쉘 나노 촉매를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 문제인 산소 발생 반응의 성능과 내구성을 크게 개선할 수 있었다”며 “본 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 실용화에 크게 기여할 수 있음은 물론 수소를 생산하는 수전해 시스템 및 다양한 전해 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화대응기술개발사업으로 수행됐으며 이번 연구결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’(IF: 14.229, JCR 분야 상위 0.962%) 최신 호에 게재됐다.