이지훈 경북대 신소재공학부 교수팀이 이산화탄소 전환 효율을 높일 수 있는 단일원자촉매의 핵심 설계 기술을 개발했다.
온실가스인 이산화탄소를 일산화탄소·개미산·탄화수소 등 유용한 화합물로 전환하는 것은 원료 생산과 더불어 탄소 저감으로 탄소중립을 실현할 수 있다. 이를 위한 촉매 소재 개발은 전환 효율을 결정짓는 중요한 요소 중 하나다.
단일원자촉매는 원자 수준으로 분산된 촉매 활성자리를 가지는 소재다. 다양한 불균질 촉매 반응에 높은 활성을 보여 각광을 받고 있다. 최근에는 전기화학적 이산화탄소 환원 반응을 통해 부가가치가 높은 케미컬을 생산할 수 있는 다양한 단일원자촉매들이 보고되고 있다.
하지만, 원자 수준으로 촉매를 분산시키는 과정에서 꼭 필요한 고온 합성 과정 및 산 세척과정에서 생긴 구조적 비균질성으로 인해 촉매 활성자리의 이산화탄소 환원 반응 과정에 대한 정확한 이해가 부족해 새로운 촉매 소재 설계에 어려움이 있다.
이 교수팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 금속원자가 네 개의 질소원자와 공유결합을 통해 원자 수준으로 분산된 프탈로시아닌 분자 촉매를 전기화학적 이산화탄소 환원 반응에 적용했다. 높은 결정성을 갖는 프탈로시아닌 분자에 다양한 금속원자를 도입·치환이 가능해 동등한 환경에 놓여있는 다양한 금속원자들의 반응 활성과 반응물 분포를 명확하게 비교할 수 있다는 점을 주목했다.
그 결과, 코발트-프탈로시아닌 분자촉매가 최적화된 반응흡착에너지를 통해 가장 효율적으로 일산화탄소를 생산한다는 것을 밝혀냈다. 기존 알려진 단일원자촉매의 활성 경향과 다른 결과다. 코발트 원자가 네 개의 질소 원자와 공유결합을 통해 완벽한 단일원자 환경에 놓이게 되면 이산화탄소 환원 활성이 매우 높아질 수 있음을 제시하는 것이다.
이지훈 교수는 “원자 수준으로 명확하게 제어된 단일원자촉매 소재 설계에 대한 아이디어를 제시했다는 점과 귀금속을 사용하지 않고 가격 경쟁력이 우수한 촉매 소재를 제시한 점에서 향후 전기화학적 이산화탄소 저감 공정 연구에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
한국연구재단 생애 첫 연구 및 신진연구자지원사업 지원을 받아 이뤄낸 이번 연구성과는 최근 화학분야 최고 권위지 '미국화학회지(JACS)'에 실렸다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
