지구온난화의 주범인 이산화탄소를 에틸렌이나 에탄올, 프로판올과 같이 고부가가치의 다탄소화합물로로 효율적으로 전환할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

이산화탄소 농도조절만을 통해 다탄소화합물 선택도를 크게 높인 이 기술이 실용화되면 ‘산업의 쌀’이라 불리는 에틸렌이나 바이오 연료인 에탄올, 화장품과 살균·살충제에 사용되는 프로판올 등을 생산하는 기존 석유화학산업의 지형 변화를 불러올 것으로 기대되고 있다.     

카이스트(KAIST) 신소재공학과 오지훈 교수팀은 이산화탄소 전기화학 환원 반응 때에 값싼 중성 전해물(전해질)에서도 다탄소화합물을 선택적으로 생성할 수 있는 공정을 개발했다고 3일 밝혔다.

연구팀에 따르면 중성 전해물을 사용해 구리(Cu) 촉매 층 내부의 이산화탄소 농도를 조절한 결과, 기존 공정과 비교해 각각 이산화탄소 전환율은 5.9%에서 22.6%로, 다탄소화합물 선택도는 25.4%에서 약 62%까지 대폭 높아졌다.

일반적으로 이산화탄소를 전기화학적으로 환원 반응시키면, 수소, 일산화탄소, 메탄 등 다양한 물질이 동시에 생성된다. 그중 2개 이상의 탄소로 구성된 다탄소화합물이 산업적으로 중요한 가치를 가진다. 

이에 대한 기존 연구는 탄소화합물의 선택도를 높이기 위해, 주로 알칼리성 전해물에 의존해 새로운 촉매 개발에 집중해왔다. 다만 이 방법은 부식성과 반응성이 커 공정 유지비용이 비싸고, 촉매 전극의 수명도 짧다는 단점이 있다. 

오 교수팀은 문제해결을 위해 구리 촉매 층 내부의 이산화탄소 농도를 오히려 감소시키는 전략을 채택했다. 그 결과 성능이 떨어진다고 여겨왔던 중성 전해물에서 기존에 보고된 연구 성과를 뛰어넘는 고성능을 보여줬다. 특히, 중성 전해물을 사용했음에도 사용된 전극은 놀랍게도 10시간 이상 일정하게 높은 다탄소화합물의 선택도와 생성량을 유지한 것으로 나타났다.

연구팀은 또 이산화탄소의 물질이동 모사 모델을 활용해 구리 촉매 층의 구조와 이산화탄소 공급 농도, 유량을 제어한 결과, 촉매 층 내부의 이산화탄소 농도를 조절에도 성공했다. 아울러 내부의 농도가 최적일 때 다탄소화합물의 선택도가 높아짐을 확인했다.

오 교수는 “촉매 층 내부의 이산화탄소 농도와 다탄소화합물의 선택도 간의 관계는 그동안 촉매 특성에 치우쳐있던 연구에새로운 방향을 제시한 것으로, 공정 유지비용 절감은 물론 촉매 전극 수명 연장에 기여할 것”이라고 설명했다. 

연구팀의 탄잉촨 박사 후 연구원은 “촉매 특성을 바꾸지 않고, 단순히 이산화탄소 농도만 바꿔도 다탄소화합물의 선택도를 크게 개선할 수 있었다”고 말했다. 

탄잉촨 박사 후 연구원과 이범려 석사과정이 제1 저자, 송학현 박사과정 학생이 제2 저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘줄(Joule)’ 5월호 특집논문으로 게재됐다.

대전=임정재 기자 jjim61@segye.com