지구 온난화를 일으키는 이산화탄소(CO₂)를 일산화탄소(CO)로 바꾸는 주석(Sn) 촉매가 개발됐다. 주석 촉매가 CO 생산에 불리하다는 50년 넘는 중론을 뒤집은 것이다. 연료, 플라스틱, 세제 및 접착제 제조 등에 폭넓게 쓰이는 CO를 값싸고 효율적으로 생산할 방법으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST·총장 이용훈)은 권영국 에너지화학공학과 교수팀 KAIST(총장 신성철) 소속 강석태·김형준 교수팀과 공동으로 저렴한 주석과 탄소 지지체 기반의 '일체형' 촉매(전극)를 개발했다고 20일 밝혔다.

이 촉매는 CO만 골라서 만들 수 있는 반응선택성이 매우 높다. 생산 효율이 기존 주석 촉매 100배 이상이다. 또 전기장을 활용해 반응 선택성을 조절할 수 있다는 것을 밝혀 학술적으로도 높은 가치를 인정받고 있다.

주석은 CO를 생산하는 금, 은 기반 촉매보다 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 주석을 CO₂ 변환 반응에 쓰면 보다 포름산(formic acid)이 더 많이 생긴다.

중공사 전극일체형 촉매의 이미지(A), 촉매 가닥 촉매의 확대 이미지(B), 탄소나노튜브에 주석 나노입자(흰색)가 흡착된 모습(C).

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연구진은 탄소나노튜브를 함께 써 주석으로 CO만 골라 만들 수 있는 촉매를 개발했다. 나노미터(㎚) 크기 주석 입자가 탄소나노튜브 표면에 붙으면 전기장 변화로 CO가 생기는 반응이 촉진된다. 반면 포름산을 만드는 반응은 탄소나노튜브가 유발하는 전기장 변화에 영향을 받지 않는다. CO는 많이 만들고 포름산 생성은 억제 할 수 있다.

권영국 교수는 “주석 촉매는 포름산 생성을 촉진 한다는 것이 50년 이상 된 중론이었는데, 전극 전기장을 조절해 이러한 상식을 뒤집었다”며 “이산화탄소 변환 반응 촉매 디자인에 전기장을 어떻게 활용 할 수 있는지를 최초로 증명한 연구라 뜻깊다”고 설명했다.

특히 이번에 개발한 지지체 일체형 촉매는 마치 도자기를 만들 듯 굽는 방식 방식으로 쉽게 제조할 수 있다. 탄소나노튜브, 주석 나노입자, 고분자로 이뤄진 반액체 상태(Sol) 혼합물을 가운데가 빈 원통(중공사 구조) 형태 전극으로 만든 뒤 이를 고온에서 굳히는(소결)방식이다. 가운데가 뚫린 구조라 반응물인 CO₂ 기체 확산이 원활하다는 장점도 있다. 또 주석입자와 지지체인 탄소나노튜브가 소결 반응으로 단단히 결합돼있어 주석이 전극 표면에서 벗겨지는 문제도 해결했다.

한편 연구팀은 이론계산을 통해 주석 기반 촉매에서 개미산이 아닌 CO가 생성되는 원리를 규명했다. 계산에 따르면 탄소나노튜브가 주석 표면의 전자밀도를 높이는 것으로 나타났다. 전자밀도가 높아져 CO₂가 주석 표면에 잘 흡착할 수 있는 조건이 되는 것이다. 주석 표면에 형성된 전기장은 CO 생성 반응을 촉진하지만, 전기장에 민감하지 않은 포름산 생성은 억제된다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com

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