성균관대, CO₂를 고부가 화학원료로 바꾸는 ‘나노 결함 촉매’ 개발

온실가스인 이산화탄소(CO₂)를 단순한 배출물이 아닌 산업 자원으로 전환하는 핵심 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이산화탄소를 고부가가치 화학원료인 포름산염(Formate)으로 높은 효율과 안정성으로 전환할 수 있는 차세대 촉매 기술로, 탄소를 감축하는 데서 나아가 자원으로 활용하는 ‘탄소자원화(Carbon Utilization)’ 기술의 상용화 가능성을 한층 높였다는 평가다.

성균관대학교(총장 유지범)는 화학과 김영독 교수 연구팀이 희토류 금속인 세륨(Ce)을 활용해 촉매 내부에 미세한 나노 결함(산소 공공, Oxygen Vacancy) 을 대량으로 형성한 새로운 비스무트(Bi) 기반 2차원 나노시트 촉매를 개발했다고 24일 밝혔다.

최근 전 세계는 탄소중립 실현을 위해 대기 중에서 포집한 이산화탄소를 재생에너지 전력을 이용해 유용한 화학물질로 전환하는 이산화탄소 전기환원(Electrochemical CO₂ Reduction) 기술 개발에 속도를 내고 있다. 특히 생성물 가운데 하나인 포름산염은 높은 에너지 저장 특성을 갖춘 수소 운반체이자 연료전지, 의약품, 화학소재 등 다양한 산업 분야의 원료로 활용될 수 있어 차세대 친환경 화학물질로 주목받고 있다.

그러나 기존 촉매는 반응 속도가 느리고 생성된 포름산염이 촉매 표면에 강하게 흡착되는 특성 때문에 산업 규모의 높은 전류밀도 조건에서는 효율이 급격히 떨어지는 한계를 보여 왔다.

김영독 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 미세한 기공과 나노 결함이 풍부한 2차원 나노시트 구조의 촉매를 설계했다. 촉매 합성 과정에서 세륨 산화물이 나노시트 내부에서 표면으로 이동하도록 유도해 촉매 표면에 반응 활성도를 높이는 산소 공공을 대량으로 형성하는 데 성공했다.

이렇게 형성된 나노 결함과 세륨 성분의 시너지 효과는 반응 중간체가 촉매 표면에 적절한 세기로 흡착되도록 하고 최종 생성물인 포름산염은 쉽게 탈착되도록 만들어 전체적인 반응 속도를 크게 향상시켰다. 동시에 경쟁 반응인 수소 발생(Hydrogen Evolution Reaction)도 효과적으로 억제해 선택성과 효율을 모두 높였다.

실험 결과 연구팀이 개발한 촉매는 일반적인 실험실 규모인 H형 셀(H-cell) 에서 96.2%의 포름산염 패러데이 효율(Faradaic Efficiency) 을 기록했다. 특히 산업 공정에 가까운 ​흐름 전지(Flow Cell) 환경에서도 96.8%의 높은 패러데이 효율을 달성했으며, 높은 전류밀도 조건에서도 115시간 동안 큰 성능 저하 없이 85% 이상의 효율을 안정적으로 유지해 장기 운전 안정성까지 입증했다.

패러데이 효율은 전기화학 반응에서 투입된 전하가 원하는 생성물을 만드는 데 실제 얼마나 사용됐는지를 나타내는 지표다. 일반적으로 100%에 가까울수록 에너지 손실이 적고 촉매 성능이 우수한 것으로 평가된다.

김영독 교수는 “이번 연구는 촉매의 미세 결함을 정밀하게 제어해 이산화탄소 자원화의 전환 효율과 안정성을 동시에 확보한 혁신적인 전략”이라며 “앞으로 보다 친환경적이고 부가가치가 높은 다중탄소 화합물을 생산하는 촉매 개발을 지속해 탄소중립 실현에 기여하겠다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구실지원사업(BRL)과 교육부 이공분야 대학중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal에 지난 7월 10일 온라인 게재됐다.

이번 성과는 단순히 촉매 성능을 개선한 연구를 넘어 탄소 포집·활용(CCUS) 기술의 경제성과 산업 적용 가능성을 높였다는 점에서 의미가 크다. 향후 재생에너지 기반 이산화탄소 전기환원 기술과 결합될 경우 발전소와 산업시설에서 포집한 CO₂를 연료와 화학원료로 다시 활용하는 ​탄소순환경제(Carbon Circular Economy) 구축의 핵심 기술로 자리 잡을 것으로 기대된다. 이는 탄소 배출을 줄이는 동시에 새로운 부가가치를 창출하는 차세대 탄소중립 산업의 중요한 기반 기술이 될 전망이다. (한국탄소신문=유명근 기자)