성균관대 백정민 교수팀, CO₂→에탄올 고효율 단원자 구리 촉매 개발 … 온실가스 저감·고부가가치 연료 생산

성균관대학교는 신소재공학과 백정민 교수 연구팀이 지구온난화 주범인 이산화탄소(CO₂)를 액체 연료인 ‘에탄올’로 효율적으로 바꿀 수 있는 차세대 ‘단원자(Single-atom) 촉매’ 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

이번 연구는 환경 오염 물질 저감을 넘어, 미래 에너지원으로 재활용할 수 있는 탄소중립 기술로 주목받고 있다.

이번 연구는 성균관대 화학공학과 김정규 교수, 충남대 신소재공학과 김현유 교수, 미국 캘리포니아대 로스앤젤레스(UCLA) 준첸 교수와 공동으로 수행했다.

전 세계적으로 기후 위기 대응을 위해 배출된 이산화탄소를 다시 사용하는 기술이 주목받고 있다. 그중에서도 에탄올은 자동차 연료나 화학 제품의 원료로 바로 쓸 수 있어 가치가 높다. 하지만 이산화탄소를 에탄올로 만들려면 탄소 원자끼리 서로 결합하는 복잡한 과정이 필요해 기술적으로 구현하기가 까다로웠다. 특히 기존 촉매들은 원치 않는 수소가 발생해 효율이 떨어지거나, 오래 사용하면 성능이 금방 나빠지는 문제가 있었다.

공동 연구팀은 이를 해결하고자 대표적인 금속 촉매인 구리(Cu) 원자를 아주 작은 단위로 낱낱이 쪼개어 특수한 탄소 구조 안에 배치하는 새로운 설계 전략을 도입했다. 이는 구리 원자 몇개가 뭉쳐 있는 구리 클러스터에서 결합을 끊고 단원자 상태로 지지체에 고정해 다시 뭉치지 못하도록 특수하게 배치했다는 얘기다. 이는 단원자 상태의 촉매는 금속 나노입자와는 다른 전자 구조와 반응 경로를 가져 반응 선택성이 크게 달라지기 때문이다. 연구팀은 마치 조각하듯 구리 원자 주변의 결합 환경을 미세하게 조절함으로써, 이산화탄소 분자가 에탄올로 더 쉽고 빠르게 변할 수 있는 최적의 반응 경로를 찾아냈다.

연구 결과, 새롭게 개발된 촉매는 100㎃·㎝⁻²의 높은 전류 밀도 조건(1㎠ 전극에서 0.1A 정도 전류가 흐르는 상태)에서도 44.1%의 높은 효율로 에탄올을 생산해냈다. 전체 생성물 중 65% 이상이 에탄올일 만큼 선택적 정확도가 높았다. 특히 50시간 이상 연속 작동에도 성능이 변하지 않는 내구성을 입증했다.

또한 기존에는 촉매를 만들기 위해 400도 이상의 고온 공정이 필요했으나, 이번 기술은 약 160도의 온도에서도 합성이 가능해 제조 비용과 에너지 소비를 획기적으로 낮췄다.

백정민 교수는 “이번 연구는 온실가스를 고부가가치 친환경 연료로 바꾸는 탄소 순환형 미래 기술의 가능성을 제시한 것”이라며 “기술을 더 대형화해 실제 산업 현장에서 사용할 수 있도록 후속 연구에 박차를 가하겠다”고 말했다.

이번 연구 결과는 환경·에너지 분야 최상위 국제 학술지 '어플라이드 캐털리시스 비: 엔바이런먼트 앤드 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy·응용 촉매 B:환경과 에너지)'에 지난 8일 온라인 게재됐다. 성균관대 신소재공학과 최성열·채헌우, 화학공학과 강원준, 충남대 신소재공학과 최예정 연구원이 공동 제1저자, 성균관대 백정민·김정규, 충남대 김현유 교수가 공동 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단의 미래융합파이오니어 사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받았다.