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| 이번 연구를 수행한 공동 연구진. 김세호(왼쪽부터) 고려대 교수, 신혜영 경희대 교수, 이승훈 포항공대 학생, 최창혁 포항공대 교수, 김해솔 포항공대 박사.[한국연구재단 제공] |
[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 이산화탄소를 산업원료로 전환하는 이산화탄소 환원 기술의 효율을 높일 수 있는 구리 촉매의 작동원리를 찾아냈다.
한국연구재단은 포항공과대학교 최창혁 교수와 고려대학교 김세호 교수, 경희대학교 신혜영 교수 공동 연구팀이 구리 촉매 내부에 유입된 나트륨 이온 불순물이 촉매의 고활성 부위를 안정화해 이산화탄소 전환 성능을 높인다는 사실을 규명했다고 7일 밝혔다.
이산화탄소를 일산화탄소나 에틸렌 등으로 전환하는 이산화탄소 환원 기술은 탄소중립과 재생에너지 저장을 위한 차세대 기술이다. 하지만 산화물 유래 구리 촉매는 환원 반응성이 우수하지만, 반응 중 구조와 조성이 복잡하게 변해 성능 향상의 원인을 찾기 어려웠다.
연구팀은 촉매 자체뿐 아니라 전해질 이온의 역할에 주목했다. 그 결과, 단순한 불순물로 여겨질 수 있었던 촉매 내부의 전해질 유래 나트륨 이온이 오히려 촉매의 중요한 활성점을 안정화해 이산화탄소 환원 성능을 높인다는 사실을 확인했다.
불순물은 보통 제거해야 할 대상으로 생각되지만, 재료과학에서는 적은 양의 불순물이 물질의 성질을 좋은 방향으로 바꾸는 경우가 많다. 순수한 철에 소량의 탄소가 들어가면 강철이 되고, 반도체도 실리콘에 미량 원소를 넣어 전기적 성질을 조절하는 것이 대표적인 예시다. 이번 연구 역시 구리 촉매 내부의 소량 나트륨 이온이 촉매 성능을 높이는 숨은 조절자 역할을 한다는 점을 보여준다.
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| 산화물 유래 구리 촉매에서 나트륨 이온 불순물이 활성 구리종을 안정화하는 원리.[포항공대 제공] |
연구팀은 극저온 원자탐침단층촬영을 통해, 산화구리를 환원할 때 촉매 내부의 나노 수준 결함에 전해질로부터 유래한 불순물 나트륨 이온이 포획돼 미세구조를 형성함이 확인됐다.
확인 결과 나트륨 이온은 촉매 표면이 아닌 내부 수십 나노미터 이상의 깊이까지 존재했다. 이는 산화구리가 전기화학적으로 환원되며 구조가 재배열되는 과정에서 전해질 내 나트륨 이온이 촉매 내부로 미량 침투할 수 있음을 보여준다.
이번 연구 결과는 고성능 전기 촉매를 설계하기 위해 촉매 물질 자체만이 아니라 전해질 이온과 전압 운전 조건까지 함께 고려해야 함을 시사한다. 향후 이산화탄소 전해뿐 아니라 수전해, 연료전지 등 촉매의 동적 구조 변화가 동반되는 다양한 전기화학 시스템에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
최창혁 교수는 “이번 연구는 촉매에 침투한 나트륨 이온의 활성점 안정화 역할을 원자 수준에서 규명한 데 의의가 있다”며, “앞으로 전해질 조성과 촉매 내부 미세구조의 관계를 규명해 수전해, 질소환원 등 다양한 전기 촉매 시스템으로 연구를 확장할 계획”이라고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구성과는 촉매 분야 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 지난 6일 게재됐다.
