UNIST·KAIST 공동연구로 주석 촉매 개발

ACS 에너지 레터스 속표지. 주석이 결합된 탄소나노튜브 전극에서 주석 촉매가 이산화탄소를 일산화탄소로 변환하는 과정 모식도. 육각형 벌집 모양 원통이 탄소나노튜브이다. 주황색 덩어리는 나노미터 크기의 주석 입자다. 주석 입자에 이산화탄소가 달라붙은 모습을 형상화 했다. UNIST 제공

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[파이낸셜뉴스] 이산화탄소를 연료, 플라스틱, 세제 및 접착제 제조 등에 폭넓게 쓰이는 일산화탄소로 바꾸는 주석 촉매가 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과의 권영국 교수팀이 한국과학기술원(KAIST) 강석태·김형준 교수 연구팀과 공동으로 탄소나노튜브 표면에 주석을 입혀 촉매를 개발했다고 20일 밝혔다.

연구진은 이 촉매가 일산화탄소만 골라서 만들 수 있는 반응선택성이 매우 높아 일산화탄소 생산 효율이 기존 주석 촉매의 100배 이상이라고 설명했다. 또 전기장을 활용해 반응 선택성을 조절할 수 있다는 것을 밝혀냈다.

권영국 교수는 "주석 촉매는 포름산 생성을 촉진한다는 것이 50년 이상 된 중론이었는데, 전극 전기장을 조절해 이 상식을 뒤집었다"고 말했다.

(A)촉매(전극) 가닥 (B)촉매의 확대 이미지. 가운데가 뚫려 있는 중공사 구조로 돼 있어 반응물인 이산화탄소가 원활히 통과 할 수 있다. (C)머리카락 같이 보이는 탄소나노튜브에 주석 나노입자(흰색)가 붙어 있다. UNIST 제공

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연구진은 지지체 일체형 촉매를 마치 도자기 만들 듯 굽는 방식으로 만들었다. 탄소나노튜브, 주석 나노입자, 고분자로 이뤄진 반액체 상태 혼합물을 가운데가 빈 원통 형태의 전극으로 만든 뒤 이를 고온에서 굳히는 방식이다. 가운데가 뚫려 있는 구조라 반응물인 이산화탄소 기체의 확산이 원활하다는 장점도 있다. 또 주석입자와 지지체인 탄소나노튜브가 소결 반응으로 단단히 결합돼 있어 주석이 전극 표면에서 벗겨지는 문제도 해결했다.

한편, 연구진은 이론계산을 통해 주석 기반 촉매에서 개미산(포름산)이 아닌 일산화탄소가 생성되는 원리를 규명했다. 계산에 따르면 탄소나노튜브가 주석 표면의 전자밀도를 높이는 것으로 나타났다. 전자밀도가 높아져 이산화탄소가 주석 표면에 잘 흡착할 수 있는 조건이 되는 것이다. 또한 주석 표면에 형성된 전기장은 흡착된 이산화탄소가 전환돼 일산화탄소가 생성되는 반응을 촉진하지만, 전기장에 민감하지 않은 포름산의 생성은 억제된다.

나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기의 주석 입자가 탄소나노튜브 표면에 붙으면 전기장의 변화로 일산화탄소가 생기는 반응이 촉진된다. 주석 입자 주변의 전기장 변화로 반응물인 이산화탄소가 주석 입자 표면에 더 잘 달라붙기 때문이다.

반면 포름산을 만드는 반응은 탄소나노튜브가 유발하는 전기장 변화에 영향을 받지 않는다. 포름산 생성 반응과 일산화탄소 생성 반응은 경쟁관계에 있기 때문에, 개발된 촉매를 쓰면 일산화탄소는 많이 만들고 포름산 생성은 억제 할 수 있다.

이번 연구 결과는 재료공학·전기화학 분야의 세계적 권위지인 'ACS 에너지 레터스' 속표지 논문으로 선정돼 11일 출판됐다.

가운데가 뚫려 있는 중공사 전극일체형 촉매의 제작 과정. 주석이 흡착된 탄소나노튜브 가루와 고분자 바인더, 유기용매가 혼합된 졸(Sol) 상태 용액(A)을 습식방사(B) 시켜 중공사 형태로 만든 뒤 도자기처럼 굽는다(C). UNIST 제공

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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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