GIST·KAIST 공동 연구팀, 고성능 CO₂ 촉매 소재 설계기술 개발

우리 연구진이 효과적인 이산화탄소(CO₂) 전환을 위한 촉매 소재 개발 실마리가 찾았다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 최창혁·서지원 광주과학기술원(GIST) 교수, 김형준 한국과학기술원(KAIST) 교수 공동 연구팀이 고성능 CO₂ 촉매 소재 설계기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

CO₂는 물과 반응해 고부가가치 화합물을 생산한다. 효율적인 촉매 개발이 성공을 좌우한다.

원자수준에서 배열된 전이금속 촉매는 CO₂ 전환을 효율화 한다는 점에서 주목받는다. 하지만 다양한 구조가 섞인 탓에 활성점 파악과 같은 촉매에 대한 이해가 부족한 실정이다. 촉매의 활성점(반응물질이 촉매 작용을 받는 부위) 규명과 합리적인 설계가 관건이다.

연구팀은 단원자 전이금속 촉매의 활성점을 도출하고자, 원자수준에서 정확하게 제어된 구조체를 도입했다.

단원자 전이금속 촉매는 촉매 활성점이 금속원자 한 개로 구성된 촉매를 지칭한다. 단원자 촉매는 금속 촉매에 필적하는 성능을 보이며, 저렴한 전이금속을 소량 사용해 촉매생산 비용을 절감할 수 있다.

각기 다른 대칭성을 가진 단원자 촉매의 전기화학적 이산화탄소 전환을 설명하는 이미지
<각기 다른 대칭성을 가진 단원자 촉매의 전기화학적 이산화탄소 전환을 설명하는 이미지>

연구팀은 대칭 구조와 대칭이 깨어진 구조 두 가지를 합성했는데, 다양한 전기화학·분광학적 접근과 계산화학을 통해 대칭이 깨어진 구조에서 CO₂ 전환이 보다 효율적인 것을 확인했다. 대칭이 깨어진 구조가 반응중간체 생성에 유리했다. 반응중간체는 화학반응에서 반응물이 생성물로 전환되는 과정에서 생성되는 물질이다.

연구팀은 “활성점 주변 원자 수준에서 뒤틀린 대칭성이 고성능 CO₂ 전환에 핵심 요소임을 밝혔다”며 “이번 연구결과가 고성능 전환 촉매 개발에 도움이 될 것”이라고 전했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리, 개인기초연구 사업 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 화학분야 국제학술지 '미국화학회지'에 1월 7일 게재됐다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com