이산화탄소를 공업용 원료로 바꾸는 촉매 개발

골칫거리 이산화탄소, 공업용 원료로 바꾸는 촉매 개발
DGIST·UNIST·성대, 머리카락 10만분의 1 이하 초미세 균열로 주석 촉매 성능 향상
부산물 억제, 반응속도 증가로 효율↑ 타 촉매 개발 응용가능

온난화 주범인 이산화탄소를 유용한 물질로 바꾸는 촉매기술이 개발됐다. 이산화탄소를 공업 원료인 개미산으로 전환하는 촉매다. 기존 촉매보다 활성도와 효율을 높여 이산화탄소 자원화의 핵심 원천 기술이 될 것으로 기대된다.

슈테판 링에 DGIST 교수
<슈테판 링에 DGIST 교수>

대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 링에 슈테판 에너지공학전공 교수팀이 UNIST, 성균관대 연구진과 공동으로 촉매입자에 머리카락 굵기 10만분의 1 수준 보다 더 가는 초미세 균열을 내는 특수 기술을 이용해 고성능 주석 산화물 촉매를 개발했다고 1일 밝혔다.

양이온 주입 공정단계별 주석 입자의 모양 변화를 전자현미경으로 촬영한 모습
<양이온 주입 공정단계별 주석 입자의 모양 변화를 전자현미경으로 촬영한 모습>

이산화탄소에 전기를 가해 이를 고부가가치의 화합물 또는 연료를 바꾸는 기술이 최근 주목받고 있다. 신재생에너지 전력을 이용해 이산화탄소를 고부가가치 물질로 변환한다면 환경 문제와 에너지 문제 등을 동시에 해결할 수 있기 때문이다.

연구팀은 값싼 비귀금속 주석(Sn) 촉매를 고성능 개미산 생산 촉매로 탈바꿈시켰다. 개미산은 최근 연료전지 연료와 수소저장체로 주목받는 물질이다. 개발된 촉매는 상용 주석 산화물 소재와 비교해 에너지소모가 적고 개미산 생산 속도가 19배 이상 향상 됐다. 반응 부산물(수소) 생성도 70% 줄었다.

연구과제를 수행한 UNIST 연구팀. 왼쪽부터 권영국 교수, 이호정 연구원(제1저자), 최한샘 연구원.
<연구과제를 수행한 UNIST 연구팀. 왼쪽부터 권영국 교수, 이호정 연구원(제1저자), 최한샘 연구원.>

주석 촉매 입자에 초미세 균열을 내기 위해 양이온 주입 기술을 썼다. 주석 산화물 입자 내부에 리튬 양이온이 주입되면 가지런했던 원자 배열이 어긋나게 되고, 이 어긋난 원자배열들(입계결함)이 이동하면서 입자 내부에 약 1㎚ 이하 초미세 균열이 만들어지는 원리다.

최적의 미세균열 크기도 찾아냈다. 미세 균열의 크기가 6Å(옹스트롬, 원자 2~3개 크기) 수준일 때 개미산 생성 속도와 선택성이 향상되고 부산물 생성이 효과적으로 억제됐다.

한국연구재단 중견과제, Carbon to X 기술개발사업으로 진행된 이번 연구성과는 세계적 권위지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈' 온라인에 공개됐고, 표지논문으로 선정돼 정식 출판을 앞두고 있다. 연구는 성균관대학교 정형모 교수팀, UNIST 권영국 교수팀과 공동 수행했다.

대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com