[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 이산화탄소(CO2)로부터 일산화탄소(CO) 생성 효율을 획기적으로 높이는 촉매 기술을 개발했다.
한국기초과학지원연구원(KBSI)은 연구장비개발부 이계행 박사 연구팀이 부산대, 울산과학기술원(UNIST)과 금 나노입자 표면에 일어나는 CO2의 분해 메카니즘을 원자 수준에서 규명하고 촉매 표면을 개질해 낮은 전압에서도 CO 생성률을 세계 최고 수준으로 확보하는데 성공했다고 28일 밝혔다.
온실가스의 주요 물질인 CO2는 지구 온난화의 주범이지만 반면에 플라스틱, 연료 등 석유화학 원료 제조에 꼭 필요한 CO의 주요 성분이기도 하다.
CO2는 안정적인 분자로서 활용할 수 있는 CO로 분해되기 위해서는 촉매가 반드시 필요하다. 일반적인 촉매들은 CO2의 분해 과정에서 H2(수소)와 CO가 동시에 생성되기 때문에, CO의 순도가 낮아 원료로 쓰기에는 부적합하다.
이에 공동연구팀은 계면활성제의 화학적 특성을 활용해 낮은 전압에서도 CO의 선택적 생성률을 획기적으로 높인 금 나노 촉매를 개발했다.
CO2 분해용 금 나노입자 촉매는 –0.4 ~ -1.0V(기준전극 RHE)의 전압 범위에서 CO 생성률에 대한 페러데이 효율 90% 이상을 달성했다. 특히 –0.6V 에서 최대 98%의 생성률에 도달했다.
또 -0.7V에서 16시간 동안 연속적인 촉매 반응을 진행해도 CO 생성 패러데이 효율이 90% 이상을 꾸준히 유지해 내구성도 크게 향상됐다.
성능 확인을 위해 계면활성제를 제거한 금 나노, 싸이올(thiol) 작용기로 개질한 금 나노 촉매와의 비교 실험 결과, –0.4V에서 각각 60%, 21%의 CO 생성 페러데이 효율을 보여, 계면활성제로 개질한 금 나노 촉매의 성능이 훨씬 뛰어났다.
이와 함께 계면활성제를 은(silver)과 아연(zinc) 촉매 표면에 개질해도 개질하지 않은 은, 아연 촉매보다 넓은 전압 범위에서 CO의 생성률이 개선됐다. 팔면체, 다면체, 구형으로 각기 다른 모양의 균일한 입자 구조를 갖는 금 나노 촉매의 성능 시험 결과 입자 모양과 촉매의 성능은 크게 상관이 없다는 사실도 알 수 있었다.
연구팀 관계자는 “이번 연구는 현재까지 개발된 CO2 분해용 및 CO 생성용 촉매들의 높은 과전압 사용과 낮은 내구성의 한계를 간단한 계면활성제 처리만으로도 해결할 수 있는 기술을 제시함으로써 향후 촉매 기술 개발의 새로운 영역을 연 것”이라며 “후속 연구로 CO2 분해용 후보 촉매들에 대해 본 기술을 적용하여 성능 향상 여부를 확인하고, 이를 통해 사업화가 가능한 촉매 개발 연구를 기획하고 있다”고 설명했다.
