▲ 단일 원자 이합체 촉매가 특징인 MEA 시스템의 개략도. Cu-Zn 직접 결합의 확대된 모습과 55시간 안정성 및 에탄올 선택성을 보여준다.(출처:성균관대 이효영 교수)

국내 연구진이 이산화탄소(CO2)에서 고순도 에탄올을 선택적으로 생산할 수 있는 촉매 기술을 개발해 CO2 환원 기술 상용화에 기여할 전망이다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대학교 이효영 교수 연구팀이 CO2를 에탄올로 고효율 전환하는 ‘단일 원자 이합체 전기촉매’ 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

CO2를 포집·활용해 고부가가치 화합물로 재탄생시기 위해 필요한 촉매기술은 반응 과정에서 여러 부산물을 만들어내기 때문에, 이를 고순도로 추출하기 위한 대형 정제 설비와 추가 에너지가 필수적이었으며 이는 곧 경제성을 떨어뜨리는 주요 원인이 됐다.

때문에 실험실을 넘어 실제 상업용 셀 환경에서도 부산물 분리 없이 고순도 화합물만을 선택적으로 생산할 수 있는 CO2 환원(CO2RR) 촉매 기술 개발이 시급한 과제로 요구돼 왔다.

이를 위해 연구팀은 뛰어난 전도성을 가진 N-도핑 그래핀 기판 위에 구리(Cu)와 아연(Zn) 금속 원자를 1개씩 짝을 지어 배치된 ‘단일 원자 이합체 전기촉매’를 새로 개발했다.

단일 원자 이합체 촉매는 두 개의 인접한 금속 원자가 서로 협력해 반응을 촉진, CO2를 에탄올로 전환하는 데 가장 까다롭고 중요한 탄소 간 결합(C-C 결합) 반응을 효과적으로 촉진하고 전환 효율을 극대화했다.

특히 이번 연구는 실험실 수준의 기본 테스트(3전극 방식)를 넘어, 실제 산업 현장에서 사용하는 상업용 멤브레인 전극 조립체(MEA) 셀 시스템에 직접 적용해 그 성능을 검증했다. 기존 촉매는 실제 상업용 셀에 적용하면 성능이 급격히 떨어지는 한계를 보였으나, 이번에 개발된 촉매는 별도의 정제 공정 없이도 보고된 값 중 최고 수준인 69%의 에탄올 선택성을 기록했다.

이효영 교수는 “이번 연구는 실제 상업용 MEA 셀 환경에서 이산화탄소로부터 높은 선택성을 갖는 에탄올을 직접 생산하는 가능성을 제시함으로써 미래 친환경 산업으로의 응용 가능성을 크게 열었다는 데 중요한 의의가 있다”고 전했다.

한편 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 지원사업으로 수행됐으며, 국제 학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 엔바이론멘탈 앤 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)’에 7월1일 온라인 게재됐다.