구리와 은 나노 박막 촉매의 구조와 전자 재분포 현상.[포스텍 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 산업 현장에서 배출되는 이산화탄소가 지구온난화 주범으로 지목되고 있는 가운데 이산화탄소를 연료로 전환하는 전기화학적 이산화탄소 환원 방법이 주목받고 있다. 하지만 이산화탄소 재활용에 필요한 촉매는 값비싼 귀금속을 사용하는데다 공정법이 복잡해 상용화가 어려운 것으로 알려져 있다.

이와 관련 포항공대(포스텍) 신소재공학과 이종람 교수 연구팀은 값싼 금속 소재와 간단한 방법으로 제작 할 수 있는 고성능 이산화탄소 환원 촉매를 선보였다.

연구팀은 구리 (Cu)와 은 (Ag) 두 가지 금속으로 이루어진 촉매 표면에 존재하는 전자들의 분포가 이산화탄소 환원 반응의 경로를 결정하는 중요한 요인이 되는 것을 처음으로 밝혀냈다. 이를 통해 이산화탄소 환원 반응을 극대화해 지금까지 보고되지 않은 높은 효율을 가진 촉매 소재를 합성하는데 성공했다.

이산화탄소 환원 촉매는 물과 이산화탄소를 일산화탄소, 메탄가스 등과 같은 화학공업 연료로 변환하는 소재이다. 그러나 이산화탄소 환원 촉매의 성능을 향상하는 일은 간단하지 않다.

높은 성능을 구현하기 위해서는 금 또는 팔라듐과 같은 귀금속이 필요해 생산비용이 증가하고, 이를 대체하기 위해서 값싼 금속재를 사용하면 원하는 생성물로 전환되는 선택성이 떨어진다. 상용화를 위해서는 값싼 합금 소재를 이용해서 높은 성능의 촉매를 구현하는 것이 관건이다.

연구팀은 구리와 은의 경계면에서 일어나는 전자 재분포 현상이 은과 일산화탄소 간의 결합에너지를 증가시켜 은의 촉매 특성을 향상시킨다는 사실을 규명했다. 또, 구리 호일 위에 수 나노미터 두께의 은 박막을 형성하는 간단한 구조를 이용해 귀금속보다 높은 선택성을 갖는 촉매 소재를 개발했다.

지금까지 알려진 합금 촉매들은 일산화탄소만 높은 선택성을 보이지만, 이번에 개발된 촉매 소재에서는 일산화탄소의 결합에너지를 메탄가스 생성에너지 수준으로 상승시켜 일산화탄소와 메탄가스 두 가지 생성물의 전환율을 대폭 향상하는 독특한 특성이 확인됐다.

이처럼 금속 계면에서 발생하는 전자의 재분포 현상을 촉매 소재를 설계하는 기법을 활용하면 우수한 특성을 갖는 촉매 소재를 빠르게 탐색함으로써 신물질 개발을 위한 시간을 줄일 수 있다.

이종람 교수는 “이 연구는 발전소에서 배출되는 이산화탄소 가스를 채집해 화학 연료로 전환해서 새로운 고부가가치를 창출 할 수 있도록 할 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 재료 분야 국제학술지 ‘나노 에너지’ 최신호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com