미래창조과학부는 카이스트(KAIST) 김형준 박사팀이 고성능 슈퍼컴퓨터를 활용해 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는데 필요한 새로운 촉매를 설계하고, 이를 활용해 높은 효율로 전환하는 시뮬레이션까지 성공했다고 11일 밝혔다.
전 세계적으로 온실가스 대표주자인 이산화탄소의 배출 규제를 강화하고 있는 추세다. 이 때문에 전 세계는 이산화탄소를 포집하는데 그치지 않고 유용한 형태의 탄소원으로 변환시켜 소비하기 위한 노력을 기울이고 있다.
대표적으로 이산화탄소를 일산화탄소의 원료물질로 활용하기 위한 연구가 활발하게 진행중이다. 일산화탄소는 메탄올, 합성 천연가스, 기타 대체 연료들을 제조하는데 필요한 핵심 원료다.
현재 이산화탄소를 일산화탄소로 전환할 수 있도록 고성능.고효율의 전기화학 촉매를 개발하기 위한 시도가 계속되고 있지만 전환에 필요한 에너지를 상용화가 가능한 수준으로 낮출 수 있는 촉매 후보는 아직 개발되지 않고 있다.
그러나 연구팀은 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 새로운 고성능.고효율의 촉매를 설계하기 위해 기존 촉매로 사용되고 있는 은(Ag) 표면에 34종의 다양한 원소를 미세하게 첨가해 이산화탄소가 일산화탄소로 전환되는데 필요한 에너지를 양자역학 시뮬레이션을 통해 조사했다.
양자역학 시뮬레이션은 화학반응을 원자 수준에서 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 방법으로, 정확한 열역학적 에너지 변화를 파악할 수 있다.
그 결과 황 원소가 함유된 촉매가 사용될 경우, 은만 촉매로 사용하여 이산화탄소를 일산화탄소로 전환할 때 필요한 전압 0.9V 보다 0.5V 이상 줄일 수 있음을 확인했다. 첨가 물질이 화학반응에서 생성되는 중간물질을 선택적으로 안정화시켜 반응에 필요한 에너지를 효과적으로 낮췄다는게 설명이다.
김형준 교수는 "전기를 생산하기 위해서는 석탄을 태우는 등 이산화탄소의 발생이 필연적이기 때문에 화학적으로 물질을 전환할 때 전기에너지가 적게 들어가는 게 중요하다"며 "향후 온실가스 전환 및 감축 분야에서 새로운 원천소재 개발이나 사용에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.
한편, 연구결과는 화학분야의 세계적인 학술지인 '저널 오브 아메리카 케미컬 소사이어티(JACS)'에 지난 7월 25일 온라인으로 게재됐다.
bbrex@fnnews.com 김혜민 기자
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