[이데일리 이소현 기자] 한국화학연구원은 김현탁 박사 연구팀이 김영진 경북대학교 교수, 이근식 UNIST 교수, 김상준 충남대학교 교수 연구팀과 함께 이산화탄소(CO₂)를 산업 원료인 일산화탄소(CO)로 전환하는 고성능 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

공동연구팀 사진 (중앙 왼쪽부터 시계 방향으로) (교신저자) 화학연 김현탁 박사, 경북대 김영진 교수, UNIST 이근식 교수, 충남대 김상준 교수, (1저자) 화학연 김경민 연구원, UNIST 문진홍 연구원.(사진=한국화학연구원

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이번 연구는 금속을 덩어리 형태의 입자가 아니라 원자 단위로 정밀 설계한 ‘이중 원자 촉매’를 적용해 고온 열화학 반응에서도 안정적으로 CO₂를 CO로 전환할 수 있도록 한 것이 특징이다.

CO₂를 CO로 바꾸는 기술은 합성연료와 화학제품 생산의 핵심 공정으로 주목받고 있다. 그러나 CO₂는 화학적으로 매우 안정적인 분자여서 반응을 위해 500~600℃ 이상의 고온이 필요하며, 이 과정에서 촉매 성능이 빠르게 저하되는 문제가 있었다.

기존 촉매는 니켈(Ni), 구리(Cu), 백금(Pt) 등 금속 나노입자를 사용하는 방식이 일반적이다. 하지만 고온 장시간 운전 과정에서 금속 입자가 서로 뭉치는 ‘소결’ 현상이 발생해 활성점이 줄어들고 성능이 떨어지는 한계가 있었다.

이를 보완하기 위해 금속을 단일 원자 형태로 고정하는 연구도 진행돼 왔지만, 고온 환경에서는 금속 원자가 이동하거나 응집해 성능이 흔들리는 문제가 남아 있었다.

이산화탄소(CO2) 일산화탄소(CO) 전환 및 생활용품 활용 예시(사진=한국화학연구원)

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연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 질소가 도핑된 탄소 구조 안에 구리와 니켈 두 금속 원자를 원자쌍 형태로 고정한 이중 원자 촉매(Cu–Ni DAC) 구조를 설계했다. 이 구조는 CO₂를 빠르게 활성화하고 생성된 CO를 즉시 분리시키는 동시에 메탄(CH₄) 생성 반응은 억제하는 역할을 한다.

또 금속 원자가 탄소 구조에 단단히 고정돼 있어 고온 환경에서도 위치가 바뀌지 않아 촉매 성능을 장시간 유지할 수 있다는 설명이다.

합성 공정도 단순화했다. 진공 증착(ALD·CVD) 같은 고가 장비 대신 용액 기반 혼합·건조·열처리 방식을 적용해 제조 공정을 단순화했으며, 동일 조건에서 원료 투입량을 늘려 13~15g 규모 촉매를 반복적으로 생산하는 데 성공했다. 이는 기존 원자 촉매가 mg 단위 소량 합성에 머물렀던 한계를 넘어선 성과다.

실험 결과 개발된 촉매는 300~600℃ 범위에서 CO 선택도 약 100%를 유지했으며, 메탄 등 불순물 생성 없이 안정적인 반응을 보였다. 또 온도를 반복적으로 변화시키는 가혹 조건에서도 100시간 이상 운전 후에도 성능이 유지됐다.

이중원자 촉매 대규모 합성 가능성 제시(사진=한국화학연구원)

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CO₂를 CO로 전환하는 반응인 역 수성가스 전환 반응(RWGS)은 열역학적 한계로 인해 전환율이 일정 수준 이상 증가하기 어렵다. 이번 촉매는 600℃ 조건에서 이론적 한계인 66%에 근접한 64% 전환율을 기록했다.

연구진은 이번 성과가 CO₂를 합성가스로 전환해 메탄올, 합성연료, 플라스틱 등 다양한 화학제품 생산으로 이어지는 CO₂ 자원화 밸류체인의 핵심 공정인 RWGS 기술의 상용화 가능성을 높일 것으로 기대하고 있다.

김현탁 박사는 “Cu–Ni 이중 원자 구조를 정밀 설계해 고온 열화학 조건에서도 CO₂를 선택적으로 CO로 전환하면서 반복 운전에서도 원자 분산 구조가 유지됨을 입증했다”고 말했다.

이영국 한국화학연구원 원장은 “이번 연구는 원자 촉매의 안정성 한계를 극복하고 대량 합성 가능성을 보여준 성과로 국내 탄소중립 기술 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 2025년 11월 게재됐다. 김경민 한국화학연구원 학생연구원과 문진홍 UNIST 학생연구원이 공동 제1저자로 참여했으며 김현탁 박사, 김영진 교수, 이근식 교수, 김상준 교수가 교신저자로 참여했다.

이중원자 촉매 합성 공정 모식도(사진=한국화학연구원)

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