한국에너지공과대학교(KENTECH·총장직무대행 박진호)는 탄제완 에너지공학부 교수가 참여한 국제공동연구팀이 이산화탄소(CO₂)를 유용한 화학물질로 전환하는 전기화학 반응에서 고질적인 경쟁반응인 수소 발생을 억제하고, 원하는 탄소 기반 생성물의 선택성을 높일 수 있는 새로운 전극 설계 원리를 제시했다고 13일 밝혔다.
CO₂ 전기환원은 재생에너지 전기를 이용해 CO₂를 화학 원료나 연료로 바꾸는 탄소중립 핵심 기술이다. 하지만 물이 함께 존재하는 반응 환경에서는 CO₂ 전환과 동시에 수소 발생 반응이 쉽게 일어나, 전환 효율과 생성물 선택성이 낮아지는 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 카이랄성과 전자 스핀에 주목했다. 카이랄성은 왼손과 오른손처럼 서로 거울상 관계지만 겹쳐지지 않는 구조적 특성을 의미한다. 전자는 전하뿐 아니라 작은 자석과 같은 성질인 '스핀'을 가지며 특정 카이랄 구조는 전자의 스핀 방향에 따라 전자 전달을 다르게 조절할 수 있다.
이러한 카이랄 구조를 가진 구리 전극을 이용해 전극 표면에서 전자의 스핀 상태를 조절하고 CO₂ 환원 반응과 수소 발생 반응의 경쟁 관계를 제어하고자 했다. 즉, 전극 표면에 '스핀을 걸러주는 구조'를 만들어 CO₂ 전환에는 유리하고 수소 발생에는 불리한 반응 환경을 조성한 것이다.
시간분해 광학 측정으로 카이랄 구리 전극 표면에서 스핀 분극 현상이 나타남을 확인했다. 이어 전기화학 분석에서는 해당 전극이 일반 구리 전극보다 수소 발생을 억제하고 CO₂ 환원 생성물의 선택성을 높인다는 점을 입증했다.
탄제완 교수는 “CO₂ 전기환원에서는 원하는 반응을 빠르게 만드는 것뿐 아니라 원하지 않는 수소 발생 반응을 어떻게 억제하느냐가 중요하다”며 “이번 연구는 카이랄 전극을 이용한 스핀 제어가 전기화학 반응 선택성을 조절하는 새로운 설계 전략이 될 수 있음을 보여준다”고 말했다.
이어 “앞으로 촉매의 조성, 구조, 표면 상태뿐 아니라 전자의 스핀 상태까지 함께 설계한다면 CO₂ 전환, 수소 생산, 질소 환원 등 다양한 에너지 전환 반응에서 새로운 가능성을 열 수 있다”고 덧붙였다.
이번 연구는 탄제완 교수가 미국 국립연구소 재직 당시 수행한 연구를 바탕으로 한 국제공동연구 성과로, 켄텍 부임 이후에도 이어지고 있는 스핀 기반 전기화학 촉매 연구의 중요한 기반이 된다.
연구진은 카이랄 촉매와 스핀 제어 개념을 실제 전극 및 시스템 수준으로 확장해 CO₂를 고부가가치 화학물질로 전환하는 기술 개발을 추진할 계획이다.
나주=김한식 기자 hskim@etnews.com
