KAIST, CO₂→다탄소화합물 전환 효율 높였다

국내 연구진이 이산화탄소(CO₂)를 효율적으로 산업 고부가가치 다탄소화합물로 전환할 수 있는 실마리를 찾았다. CO₂ 농도조절만을 통해 다탄소화합물 선택도를 크게 높였다.

한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 오지훈 신소재공학과 교수팀이 CO₂ 전기화학 환원 반응 시, 값싼 중성 전해물에서도 다탄소화합물을 선택적으로 생성하는 공정을 개발했다고 3일 밝혔다.

중성 전해물을 사용해 구리 촉매 층 내부 CO₂ 농도를 조절해 기존 공정 대비 CO₂ 전환율은 5.9%에서 22.6%로, 다탄소화합물 선택도는 25.4%에서 약 62%까지 대폭 높인 공정과 촉매 층 구조를 개발했다.

새로운 촉매 층 구조와 이산화탄소 공급 농도
새로운 촉매 층 구조와 이산화탄소 공급 농도

CO₂를 전기화학 환원 반응시키면 수소, 일산화탄소, 메탄 등 다양한 물질이 동시에 생성되는데 이 가운데 2개 이상 탄소로 구성된 다탄소화합물이 높은 산업가치를 가진다.

기존에는 탄소화합물 선택도를 높이기 위해 알칼리성 전해물에 의존했다. 그러나 알칼리성 전해물은 부식성·반응성이 커 유지비용이 비싸고, 촉매 전극 수명도 짧다.

연구팀은 새로운 공정을 활용, 중성 전해물을 사용했음에도 10시간 넘게 높은 다탄소화합물 선택도와 생성량을 유지하는데 성공했다.

또 CO₂ 물질이동 모사 모델 결과를 활용, 구리 촉매 층 구조와 CO₂ 공급 농도, 유량 제어해 촉매 층 내부 CO₂ 농도를 조절하는 것에도 성공했다. 내부 농도가 최적일 때 다탄소화합물의 선택도가 높아짐을 확인할 수 있었다.

기술 개발 연구진. 사진 왼쪽 뒤부터 시계방향으로 송학현 박사과정, 오지훈교수, 탄잉촨 박사후 연구원, 이범려 석사과정.
기술 개발 연구진. 사진 왼쪽 뒤부터 시계방향으로 송학현 박사과정, 오지훈교수, 탄잉촨 박사후 연구원, 이범려 석사과정.

이 기술이 실용화되면 에틸렌, 에탄올, 프로판 등을 생산하는 석유화학산업 지형에 큰 변화를 불러올 것으로 기대된다.

오 교수는 “연구팀이 발견한 촉매 층 내부 CO₂ 농도와 다탄소화합물 선택도 간 관계는 그동안 촉매 특성에 치우쳤던 연구에 새로운 방향을 제시한다”며 “공정 유지비용 절감, 촉매 전극 수명 연장에도 이바지할 것”이라고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com