한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 박정영 화학과 교수팀이 문봉진 광주과학기술원(GIST) 물리·광과학과 교수팀과 공동연구로 초미세 계단형 구리(Cu) 촉매 표면이 이산화탄소(CO₂) 분자를 보다 효과적으로 분해할 수 있음을 입증했다고 26일 밝혔다.
온실가스 전환 기술은 대기 중 온실가스를 제거함과 동시에, 탄소중립 달성을 위한 산업계 패러다임 전환 대응에 필요한 핵심 기술이다. 다만 CO₂ 분자가 화학적으로 매우 안정돼 유용 화학 물질로의 전환은 여전히 난제다.
포집된 온실가스 전환은 일반적으로 고온·고압 촉매 화학반응 환경에서 이뤄진다. 보통 구리 기반 촉매물질을 이용해 CO₂ 분자가 일산화탄소(CO) 및 산소 원자(O)로 분해할 때 수십 기압에 이르는 고압 반응환경이 요구된다.
기존 촉매 물질을 개선하고 최적의 CO₂ 전환 반응을 유도해 온실가스 전환 효율을 획기적으로 높일 새로운 촉매 개발이 필요하다.
상압 전자터널링 현미경(AP-STM) 기술을 활용해 직접 관찰한 이번 연구 결과는, 머리카락 두께 10만 분의 1 크기 계단형 표면 구조가 온실가스 분해 반응 향상에 크게 기여한다는 시각적 증거를 처음으로 제시했다.
연구진은 그 크기가 수 옹스트롬(Å·100억분의 1m)에 불과한 CO₂ 분자는 촉매 물질 표면 구조에 따라 반응 활성도가 달라질 수 있다는 점에 착안, 머리카락 두께 10만 분의 1에 불과한 계단형 초미세 Cu 표면과 반응하는 CO₂ 분자 분해 과정을 실시간 포착했다.
초미세 계단형 구조를 갖는 Cu 원자 표면 배열은 평평한 구조를 갖는 넓은 Cu 표면 구조에 비해 훨씬 낮은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 온실가스 분해가 상대적으로 용이하다.
연구진은 관찰 결과, Cu 촉매 표면 계단 위치와 충돌한 CO₂ 분자가 상온에서도 쉽게 분해됐고, 더 나아가 분해된 CO 분자와 O 원자가 표면 구조변화를 동시에 유도함으로써 촉매반응 경로에 영향을 끼칠 수 있음을 발견했다.
KAIST 박정영 교수는 “이번 연구는 기존에 진행된 Cu 표면에서의 CO₂ 촉매 현상 이해를 뛰어넘는 새로운 발견이며, 고효율 CO₂ 촉매 개발로 지구온난화 및 지속가능성 문제 해결에 기여할 것”이라고 밝혔다.
한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업, 과학기술분야 기초연구사업과 한-프랑스 협력기반조성사업(STAR) 등 지원을 받은 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스 온라인판 6월 6일자에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
