▲ UNIST 연구진이 개발한 CO₂를 포름산으로 바꾸는 시스템 비교(上)와 개발된 촉매의 구조(下)

국내 연구진이 전력 소모를 획기적으로 줄이면서 이산화탄소를 고부가가치 화학물질인 포름산으로 효율적으로 전환하는 초저전압 전기화학 시스템을 개발해 온실가스 저감과 친환경 화학 공정 확대에 기여할 전망이다.

UNIST는 신소재공학과 조승호 교수와 에너지화학공학과 권영국·이재성 교수팀이 이산화탄소를 포름산으로 바꾸는 초저전압 전기화학시스템을 개발했다고 12일 밝혔다.

개발된 시스템은 지구온난화 주범인 이산화탄소를 고부가가치 화학물질인 포름산으로 전환하는 생산 시스템으로, 기존보다 전력 소모를 1/4 수준으로 줄이고, 생산량은 세 배 가까이 늘어난 시스템이다.

이산화탄소에 전기를 가해 포름산으로 바꾸면 온실가스를 줄이면서 고부가가치 물질을 생산하는 1석 2조의 효과를 거둘 수 있다. 하지만 이 과정에서 막대한 전력이 낭비되는 문제가 있다.

이산화탄소로 포름산을 만드는 반응시스템에서는 짝반응을 통해 산소가 나오는데, 이 산소 생산에 전체 전력의 70~90%가 쓰이고 시스템 구동 전압이 2 V(볼트)까지 올라가게 된다.

연구팀은 기존 산소 발생 짝반응을 포름알데히드 산화(FOR) 짝반응으로 대체한 시스템을 개발했다. 이 시스템은 0.5V 낮은 전압에서도 양쪽 전극에서 높은 효율(음극 96.1%, 양극 82.1%)로 포름산을 생산하며, 구동 전압이 1/4 수준으로 낮아지면서 전력 소모도 크게 줄어든다.

포름산 총생산 속도는 0.39 mmol/cm²·h로 기존 시스템보다 거의 3배 많다. 짝반응 전극에서도 산소가 아닌 포름산이 생성되기 때문이다.

연구팀은 포름알데히드 산화 반응에 필수적인 구리·은 복합 촉매를 새롭게 개발해 이 시스템을 구현했다. 기존 촉매는 활성이 급격히 떨어지는 한계가 있었다.

새 촉매 기반 포름알데히드 산화 반응은 암모니아, 과산화수소, 수소를 전기 없이 생산하는 친환경 자가구동 시스템에도 적용할 수 있다. 실제로 연구진은 이를 질산염 환원, 산소 환원, 수소 발생 반응과 결합해 전기와 오염물질 배출 없이 다양한 물질을 생산했다.

조승호 교수는 “이산화탄소 전환 과정의 큰 비효율을 제거하고, 한정된 전기에너지를 최대한 활용할 수 있는 기술”이라며 “이산화탄소 전환 외에도 다양한 친환경 화학 공정에 적용돼 환경 문제와 자원 순환 해결에 기여할 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구에는 신소재공학과 김효석 연구원, 장원식·이진호 박사, 에너지화학공학과 이호정 연구원이 참여했으며, 결과는 종합화학 분야 국제학술지 ‘앙게반테 케미 인터내셔널 에디션’에 10월 1일 자로 온라인 공개돼 표지 논문으로 선정됐다. 연구는 UNIST 이노코어 프로그램과 한국연구재단 지원으로 수행됐다.