국내 연구진이 부산물 분리 없이 고순도 에탄올을 선택적으로 생산할 수 있는 기술 개발에 성공했다.
한국연구재단은 이효영 성균관대 교수 연구팀이 이산화탄소를 에탄올로 고효율 전환하는 단일 원자 이합체 전기촉매 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
이산화탄소를 포집·활용해 고부가가치 화합물로 재탄생시키는 기술은 탄소중립의 핵심 열쇠로 꼽힌다. 그러나 기존 촉매 기술은 반응 과정에서 여러 부산물을 만들어내기 때문에 이를 고순도로 추출하기 위한 대형 정제 설비와 추가 에너지가 필수적이다. 이는 곧 상업적 경제성을 떨어뜨리는 주요 원인이 된다.
이 때문에 실험실을 넘어 실제 상업용 셀 환경에서도 부산물 분리 없이 고순도 화합물만을 선택적으로 생산할 수 있는 이산화탄소 환원 촉매 기술 개발이 시급한 과제로 요구됐다.
이를 위해 연구팀은 뛰어난 전도성을 가진 N-도핑 그래핀 기판 위에 구리와 아연 금속 원자를 1개씩 짝을 지어 배치된 단일 원자 이합체 촉매를 새로 개발했다.
단일 원자 촉매는 원자 활용도가 극대화된다는 장점이 있지만, 원자 1개 만으로는 이산화탄소를 복잡한 에탄올 분자로 바꾸기에는 한계가 있었다.
연구팀이 개발한 단일 원자 이합체 촉매는 두 개의 인접한 금속 원자가 서로 협력해 반응을 촉진, 이산화탄소를 에탄올로 전환하는데 가장 까다롭고 중요한 탄소 간 결합 반응을 효과적으로 촉진하고 전환 효율을 극대화했다.
특히 이번 연구는 실험실 수준 기본 테스트(3전극 방식)를 넘어 실제 산업 현장에서 사용하는 상업용 멤브레인 전극 조립체(MEA) 셀 시스템에 직접 적용해 그 성능을 검증했다.
기존 촉매는 실제 상업용 셀에 적용하면 성능이 급격히 떨어지는 한계를 보였으나, 이번에 개발된 촉매는 별도의 정제 공정 없이도 보고된 값 중 최고 수준인 69%의 에탄올 선택성을 기록했다.
이효영 교수는 “이번 연구는 실제 상업용 MEA 셀 환경에서 이산화탄소로부터 높은 선택성을 갖는 에탄올을 직접 생산하는 가능성을 제시함으로써 미래 친환경 산업으로의 응용 가능성을 크게 열었다는 데 중요한 의의가 있다”고 말했다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 '어플라이드 카탈리시스 B: 엔바이론멘탈 앤 에너지'에 1일 온라인 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
