고려대 문준혁 교수팀, 온실가스를 에너지로 전환하는 촉매기술 개발

고려대학교 화공생명공학과 문준혁 교수 연구팀이 상온에서 대표적인 온실가스인 메탄(CH4)을 선택적으로 에탄올로 전환하는 고성능 전기화학 촉매 시스템을 개발했다고 25일 밝혔다.

메탄을 고부가가치 화합물로 전환하는 이번 기술은 온실가스를 유용한 자원으로 활용하는 실마리를 제공한다. 지속 가능한 에너지 전환과 탄소중립 실현에 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 국립타이완대 보르이 유 교수 연구팀과 공동으로 진행했다.

연구팀은 여러 금속 원소로 구성된 고엔트로피 산화물(HEO)을 활용해 메탄을 더욱 효율적으로 활성화할 수 있는 촉매 구조를 설계했다. 이 촉매는 전도성과 안정성이 높은 코발트(Co)를 선택적으로 많이 포함하고 있어 코발트 중심의 단일원자 활성을 유도한다. 이를 통해 기존보다 정밀한 메탄 전환 제어와 높은 활성도를 확보할 수 있다는 게 특징이다.

연구팀은 이 촉매를 유동식 전기화학 셀(반응 물질이 셀 내부를 흐르면서 연속적으로 반응이 일어나는 전기화학 반응장치)에 적용해 연속 반응 조건에서 약 26mmol/gcat/h 수준의 에탄올 생산 속도를 달성했다. 또한 100시간 이상의 장기 실험에서도 결정 구조와 금속 산화 상태가 안정적으로 유지되며 높은 내구성을 입증했다.

연구팀은 공정 모의실험을 통해 기술의 실현 가능성도 검토했다. 기술경제성 분석(TEA)에서는 전극과 전해액을 담는 용기인 전해조 단가와 전력 비용이 25%쯤 절감될 경우 생산 단가를 낮출 수 있음을 확인했다. 생애주기환경평가(LCA)에서는 기존 바이오·석유 기반 에탄올 생산 공정보다 탄소 배출량이 최대 90%까지 줄어드는 효과가 나타났다.

문 교수는 "이번 연구는 고엔트로피 소재 내부에 단일원자 활성점을 성공적으로 구현했다는 점에서 의미가 크다"며 "이런 접근은 메탄 전환뿐 아니라 다양한 연료 전환과 산화 반응에도 확대 적용할 수 있다"고 말했다.

이번 연구 논문은 재료·에너지 분야의 권위 있는 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 23일 표지 논문으로 게재됐다. 문 교수가 교신 저자, 고려대 김철호 박사와 민희원 석박사통합과정이 공동 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구사업, C1가스 리파이너리 밸류업 기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다.