이화여대, '노벨상 물질'로 "차세대 이원자 촉매" 개발

이화여대-울산과학기술원-한국에너지공대-대만 국립성공대 공동연구 일산화탄소 전기환원서 상용화 기준 충족하는 성능 달성

[서울=뉴시스] (왼쪽부터) 이화여대 문회리 교수, 울산과학기술원 최원영·권영국 교수, 한국에너지공대 김우열 교수. (사진=이화여대 제공) 2025.12.12. photo@newsis.com *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]전수현 인턴 기자 = 이화여대 화학·나노과학과 문회리 교수 연구팀은 울산과학기술원 최원영·권영국 교수, 한국에너지공대 김우열 교수, 대만 국립성공대 무정 청(Mu-Jeng Cheng) 교수와 공동으로 금속-유기 골격체를 활용해 원자 배열이 정확히 규명된 구리(I) 이원자 촉매를 세계 최초로 개발했다고 12일 밝혔다.

연구팀이 개발한 촉매는 일산화탄소(CO)를 두 개 이상의 탄소로 이뤄진 유용한 물질로 전환하는 전기화학 반응에서 높은 선택성, 빠른 반응 속도, 장시간 안정성을 확보했다.

일산화탄소 전기환원은 일산화탄소를 재활용해 에틸렌이나 아세트산염 등 고부가가치 물질로 바꾸는 기술이다.

해당 기술은 두 금속의 활성점이 정확한 간격과 배열을 유지해야 반응이 잘 일어나기 때문에 촉매의 원자 수준 설계가 매우 중요하다.

이에 연구팀은 먼저 구리(II)를 포함한 금속-유기 골격체를 합성했다.

또한 온도 변화에 따라 구조가 관절처럼 접히는 특성을 활용해 구리(II)를 구리(I)로 환원시키고 구리(I) 두 개가 약 3.6Å 간격을 유지하도록 구현했다.

이 구조는 X-선 분석과 분광 분석을 통해 실제 존재와 안정성이 검증됐다.

[서울=뉴시스] (위)구리(I) 금속-유기 골격체의 구조와 결정 이미지, (아래)일산화탄소 전기환원 성능 이미지. (사진=이화여대 제공) 2025.12.12. photo@newsis.com *재판매 및 DB 금지

이 금속-유기 골격체를 얇은 나노시트 형태로 전극에 적용해 일산화탄소 전기환원 실험을 수행한 결과, 전환 과정에서 선택도 86%, -600 mA cm-2 조건에서 -430 mA cm-2의 높은 부분 전류밀도를 기록했다. 또한 고전류 조건에서도 60시간 이상 성능과 구조를 유지했다.

연구팀은 실시간 표면 적외선 분광 분석과 밀도범함수이론 계산을 통해 이 촉매가 일산화탄소를 바꿀 때 랑뮤어–힌셀우드 방식과 일레이–리디얼 방식의 두 가지 방식으로 반응이 일어나며, 이는 촉매 내부에 구리(I) 이원자 구조 덕분임을 확인했다.

문 교수는 "이번 연구는 구리 원자 두 개가 어떤 간격과 배치를 가질 때 CO 분자를 가장 효과적으로 결합시키는지를 실제 결정 구조와 실험, 계산으로 동시에 규명한 사례"라고 설명했다.