온실가스인 이산화탄소를 전기로 산업용 원료로 전환하는 기술의 효율을 높이는 구리 촉매의 새로운 작동 원리가 밝혀졌다.
한국연구재단은 최창혁 포스텍(POSTECH) 교수와 김세호 고려대 교수, 신혜영 경희대 교수 공동 연구팀이 구리 촉매 내부에 유입된 나트륨 이온 불순물이 촉매 고활성 부위를 안정화해 이산화탄소 전환 성능을 높이는 사실을 규명했다고 7일 밝혔다.
이산화탄소를 일산화탄소나 에틸렌 등으로 전환하는 이산화탄소 환원 기술은 탄소중립과 재생에너지 저장을 위한 차세대 기술이다. 특히 산화물 유래 구리 촉매는 환원 반응성이 우수하지만, 반응 중 구조와 조성이 복잡하게 변해 성능 향상의 원인을 찾기 어려웠다.
연구팀은 촉매 자체뿐 아니라 전해질 이온의 역할에 주목했다. 그 결과 단순한 불순물로 여겨질 수 있었던 촉매 내부의 전해질 유래 나트륨 이온이 오히려 촉매의 중요한 활성점을 안정화해 이산화탄소 환원 성능을 높인다는 사실을 밝혔다.
불순물은 보통 제거해야 할 대상으로 생각되지만, 재료과학에서는 적은 양의 불순물이 물질의 성질을 좋은 방향으로 바꾸는 경우가 많다. 순수한 철에 소량의 탄소가 들어가면 강철이 되고, 반도체도 실리콘에 미량 원소를 넣어 전기적 성질을 조절하는 것이 대표적이다. 이번 연구도 구리 촉매 내부의 소량 나트륨 이온이 촉매 성능을 높이는 숨은 조절자 역할을 한다는 점을 보여준다.
연구팀은 극저온 원자탐침단층촬영을 통해 산화구리를 환원할 때 촉매 내부의 나노 수준 결함에 전해질로부터 유래한 불순물 나트륨 이온이 포획돼 미세구조를 형성함이 확인됐다.
나트륨 이온은 촉매 표면이 아닌 내부 수십 나노미터 이상의 깊이까지 존재했다. 이는 산화구리가 전기화학적으로 환원되며 구조가 재배열되는 과정에서 전해질 내 나트륨 이온이 촉매 내부로 미량 침투할 수 있음을 보여준다.
또 실시간 라만 분광분석 결과 나트륨 이온이 반응에 중요한 1가 구리 양이온을 더 오래 유지하는 데 기여함을 밝혔다.
최창혁 교수는 “이번 연구는 촉매에 침투한 나트륨 이온의 활성점 안정화 역할을 원자 수준에서 규명한 데 의의가 있다”며 “앞으로 전해질 조성과 촉매 내부 미세구조의 관계를 규명해 수전해, 질소환원 등 다양한 전기 촉매 시스템으로 연구를 확장할 계획”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 촉매 분야 국제학술지 '네이처 카탈리시스'에 6일 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
