이산화탄소 자원화 촉매 성능을 높였다

KIST, 금·은 대신 황화니켈 촉매 개발
화학원료 '일산화탄소' 전환 효율 향상

니켈 단일 원자 촉매를 모방한 황화니켈 촉매로 이산화탄소를 일산화탄소로 만드는 모식도. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀이 이산화탄소를 일산화탄소로 만들때 필요한 촉매를 황화니켈로 만들었다. 가격이 비싼 은이나 금 대신 사용하는 저렴한 촉매중 니켈만을 사용한 촉매보다 일산화탄소로 만드는 효율이 3배 이상 향상됐다.

오형석 박사는 18일"니켈 촉매의 반응과 움직임을 실시간으로 분석해 모사한 황화니켈 촉매는 전자구조 모방이라는 독창적인 촉매 연구개발 방법을 통해 탄생했다"고 설명했다. 이어서 "이 방법으로 다양한 저가 촉매를 개발할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다"고 말했다.

일반적으로 단일 원자상태의 니켈만 이산화탄소 전환이 가능하고, 이외의 금속상태의 니켈 촉매는 이산화탄소 전환 성능이 없다고 알려져 있었다.

연구진은 상대적으로 저렴한 황화 니켈 촉매를 실제 시스템에 적용해 높은 성능을 얻었다.

연구진이 촉매가 반응하는 것을 실시간으로 분석한 결과, 황화니켈 촉매는 반응 중에 단일 원자 니켈 촉매의 전자구조를 모사해 높은 전기화학적 반응이 일어났다. 또한 기존 니켈 단일원자 촉매가 22%의 전력효율을 보였던 반면, 황화니켈 촉매는 3배인 70% 이상까지 향상됐다.

연구진은 이번 연구결과를 에너지 환경 분야 국제 저널인 '첨단 에너지 재료(Advanced Energy Materials)' 최신호에 발표했다.

한편, 이산화탄소는 지구온난화를 유발하는 물질 중 대부분을 차지하며 온실효과에 미치는 영향 또한 가장 크다. 그런데 전기화학적 환원 반응을 이용하면 일산화탄소, 에틸렌, 개미산, 메탄올 등 유용한 화합물로 변화시킬 수 있어 이를 포집·활용·저장하고자 하는 연구개발이 활발하다.

특히 일산화탄소는 산업계에서는 매우 중요한 기초 원료로 이용된다. 일산화탄소는 화학적으로 매우 불안정해 화학, 금속, 전자산업 등에서 환원제로 주로 활용한다. 에너지 투입 대비 생산량이 많아 이산화탄소로 만들 수 있는 화학원료 중에서도 경제적 가치가 가장 높은 물질이다.

이산화탄소의 일산화탄소 전환 연구는 가격이 비싼 은과 금 같은 귀금속 촉매를 사용해 왔다. 본격적인 상용화를 위해서는 저렴한 촉매 소재의 개발이 관건이다.

니켈 기반의 단일원자 촉매가 귀금속 촉매의 대안으로 개발됐지만 이산화탄소 전환 속도, 즉 최대 전류량이 낮다는 한계가 있었다.

[e-mail] 김만기 기자