국내 연구진이 이산화탄소(CO₂) 자원화 기술을 더욱 발전시킬 고성능, 저비용 촉매를 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진)은 오형석·이웅희 청정에너지연구센터 박사팀이 온실가스 주범인 CO₂를 일산화탄소(CO)로 전환하는 황화니켈 촉매 물질을 개발했다고 18일 밝혔다. 개발 촉매는 실제 전환 시스템 적용 결과 기존 니켈 단일원자 촉매 대비 3배 이상 전환 성능을 보였다.
CO₂는 전기화학적 환원 반응을 이용, CO 등 유용한 화합물로 변화시킬 수 있다. CO는 화학, 금속, 전자산업 등에서 환원제로 주로 활용되며 에너지 투입 대비 생산량이 많아 CO₂로 만들 수 있는 화학 원료 중 경제적 가치가 가장 높다.
관련 전환 연구는 가격이 비싼 은과 금 같은 귀금속 촉매를 기반으로 이뤄져 왔다. 저렴한 촉매 소재 개발이 관건이다. 니켈(Ni) 기반 단일원자 촉매가 귀금속 촉매 대안으로 개발됐지만 CO₂ 전환 속도(최대 전류량)가 낮다는 한계가 있다.
연구진은 상대적으로 저렴한 황화 니켈 촉매를 제안하고 이를 실제 시스템에 적용해 높은 성능을 얻었다. 통상 단일 원자 상태 니켈만 CO₂ 전환이 가능하고 이외 금속상태 니켈 촉매는 전환 성능이 없다고 알려져 왔다. 하지만 실시간 분석 결과 황화니켈 촉매는 반응 중 단일원자 니켈 촉매 전자구조를 모사해 높은 전기화학적 CO₂ 전환 활성을 보이는 것을 확인했다. 또 전력효율 역시 기존 니켈 단일원자 촉매(22%)보다 3배 이상(70%) 향상되는 것으로 나타났다.
오형석 박사는 “니켈 단일원자 촉매 반응과 거동을 실시간으로 분석해 모사한 황화니켈 촉매 물질은 전자구조 모방이라는 독창적인 촉매 연구개발 방법을 통해 탄생했으며 이런 방법을 통해 다양한 저가 촉매를 개발할 새로운 가능성을 제시했다”며 “향후 장시간 내구성 등 후속 연구로 황화니켈 촉매의 빠른 상용화에도 힘쓸 계획”이라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원을 받아 'KIST 주요 사업' 'Carbon to X 사업' 및 국가과학기술연구회(NST)의 '창의형 융합연구사업'으로 수행됐다. 에너지 환경 분야 국제 저널인 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(IF: 29.698, JCR 분야 상위 2.464%)'
최신 호에 게재됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
