【대전=뉴시스】 김양수 기자 = 가지모양 구리산화물 전기촉매를 이용한 수용액 상에서의 이산화탄소 변환반응 개념도.2019.04.28(사진=KAIST 제공) photo@newsis.com

【대전=뉴시스】 김양수 기자 = KAIST는 화학과 송현준 교수 연구팀이 이산화탄소를 70% 이상 에틸렌으로 변환하면서 수소가스 외에 부산물이 생기지 않는 전기화학 나노촉매를 개발했다고 28일 밝혔다.

중성 탄산수 전해질을 이용해 ‘산업의 쌀’이라 불리는 에틸렌을 70% 이상의 높은 선택성으로 제조가능한 이번 연구는 김진모, 최웅 박사가 공동 1 저자로 참여하고 박준우·김민준 박사과정, 베를린공대 김청희 박사가 참여했다.

연구결과는 국제 학술지 ‘미국 화학회지(Journal of The America Chemical Society)’에 지난 18일 온라인판에 게재됐다. 논문명은 Branched Copper Oxide Nanoparticles Induce Highly Selective Ethylene Production by Electrochemical Carbon Dioxide Reduction다.

태양광과 바람으로 대표되는 신재생 전기에너지는 공급량과 수요량의 차이가 있어 과잉 공급량을 보관할 대용량 저장장치가 필요하다. 이에 전기에너지를 화학에너지로 변환해 저장하는 전기화학 프로세스가 대안으로 떠오르고 있다.

전기에너지를 이용한 이산화탄소 변환기술은 태양광을 이용한 광촉매보다 에너지 효율이 뛰어나고 메탄뿐 아니라 에틸렌, 에탄올 등의 탄소화합물을 만들 수 있어 활용가치가 높다. 특히 ‘산업의 쌀’이라 불리는 에틸렌을 생성할 수 있어 해당 분야에서 크게 주목받고 있다.

이 기술은 에너지와 환경 문제를 함께 해결할 수 있다는 장점이 있지만 현재까지 개발된 전기화학 촉매는 선택성이 떨어지고 다양한 혼합 생성물이 제조돼 추가 분리 과정이 필요하다는 한계가 있다.

이런 문제 해결을 위해 연구팀은 구리(I)산화물 육면체 나노입자를 합성한 뒤 산화시켜 가지모양의 구리(II)산화물 나노입자로 합성했다.

이를 탄소 지지체 표면에 담아 구리산화물-탄소 전극물질로 활용하면서 중성 수용액에서 반응시켜 이산화탄소에서 70% 이상의 에틸렌을 얻어냈다.

또 연구팀은 부산물 발생을 억제키 위해 구리산화물이 전기에너지에 의해 환원될 때 산화물 구리구조가 작은 결정 크기를 갖도록 유도했다. 이렇게 형성된 4~5나노미터(㎚) 크기의 구리산화물 구조는 표면 반응성이 크게 향상됐으며 동시에 탄소물질에 의해 안정화된 이상적인 촉매구조를 갖게 됐다.

이 구조는 나노입자 촉매 중에서 가장 높은 전류밀도와 안정성을 보였으며 특히 모든 촉매를 통틀어 중성 수용액 조건에서 가장 뛰어난 에틸렌 선택성을 보이는게 확인됐다.

송현준 교수는 "전기에너지를 이용한 이산화탄소의 직접 변환 반응은 높은 효율에 비해 선택성이 낮았으나 이번 연구처럼 촉매구조를 나노 수준에서 균일하게 조절하는 경우 반응 특성을 크게 높일 수 있다"며 "나노 수준의 촉매 디자인이 고효율 에너지 제조 촉매 개발에 필수적인 역할을 하고 있음을 보여주는 연구"라고 평가했다.

kys0505@newsis.com

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