▲ 상용 은 촉매와 합성된 은 촉매의 범람 정도 비교 모식도

국내 연구진이 전해질 범람을 방지함으로써 전기화학적 이산화탄소(CO2) 환원 반응에 탁월한 성능을 보이는 은 나노 촉매를 개발해 CCUS의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀은이 KT 반도체기술연구단 황규원 박사팀, LG화학 노태근 박사 연구팀과 공동연구를 통해 이산화탄소 포집 장치의 전해질 범람을 억제할 수 있는 소수성 지질 유기물이 표면에 결합된 은 나노 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

2050년 탄소중립 목표를 달성하기 위해 CCUS(Carbon Capture, Utilization, and Storage) 기술이 중요한 역할을 맡고 있다. 화력발전소, 정유·석유화학 공장 등에서 발생하는 CO2를 유용한 화합물로 전환하는 전기화학적 CCUS 기술의 필수 매개체인 전해질은 반응 속도와 효율성에 영향을 주는 핵심 요소이다.

그러나 이산화탄소 전해 장치의 환원 전극에서 전해질이 과도하게 흐르는 전해질 범람(electrolyte flooding) 현상은 CO2가 전극 촉매층에 전달되는 것을 방해해 CCUS 기술의 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

은 촉매는 CO2를 플라스틱 등 석유화학제품의 원료인 일산화탄소(CO)로 전환하는 데 탁월한 성능을 보여 가장 활발히 연구되고 있다. 연구팀은 전해질 범람 문제를 해결하기 위해 은 나노입자 표면에 지질 유기물을 결합해 물 분자와 쉽게 결합하지 않는 소수성 물과 친하지 않은 성질을 지니면서 주변 반응 환경을 제어할 수 있는 새로운 은 촉매를 개발했다.

합성된 은 나노입자는 약 7나노미터(nm) 크기의 정이십면체 구조를 가지며 입자 표면에 소수성 지질 유기물이 균일하게 결합해 있다. 또한, 기존 단위 면적당 1mg의 촉매량보다 적은 0.3mg으로도 높은 CO2 전환 활성을 보였다.

연구팀이 개발한 은 촉매는 균일한 소수성을 지니고 있어 전극 표면에 물이 과도하게 축적되는 것을 방지해 전해질 범람을 억제함으로써 과전압 조건에서도 CO2 전환 성능을 유지하고 내구성을 높일 수 있다.

연구팀은 CT 촬영을 통해 전압이 높아지는 조건에서도 전해질의 범람이 줄어드는 것을 관찰했다. 또한 실제 3.4V의 전압 조건에서 기존 촉매는 약 81.5%의 일산화탄소에 대한 선택도와 12시간의 성능 유지를 보였지만, 새롭게 합성된 촉매는 약 95.5%의 선택도와 50시간 이상의 성능을 유지했다.

이번에 개발된 촉매를 활용할 경우, 적은 촉매량으로 장기간 전기화학적 CO2 전환이 가능하다는 점에서 촉매 비용을 절감하고 교체 주기를 늘려 CCUS를 통한 일산화탄소의 생산비용이 낮아질 것으로 기대된다. 공동연구팀은 석유화학 공정 등 대규모 생산시설에 적용할 수 있도록 전기화학적 CO2 전환 실증 시스템 적용 연구를 수행할 예정이다.

KIST 오형석 책임연구원은 “전기화학 시스템에서 내적, 외적 요인을 모두 고려한 촉매 합성 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다”라며 “LG화학과 함께 진행된 이 연구 성과는 향후 전기화학적 CO2 전환 기술의 실증 및 상용화를 앞당길 것”이라고 밝혔다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 Carbon to X 사업(2020M3H7A1098229), 창의형 융합연구사업(CAP21011-100)으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘Nature Communications’(IF: 14.7, JCR 분야: 5.6%)에 게재됐다.