전북대학교는 이치호 공과대학 화학공학부 교수가 미국 연구진과 함께 이산화탄소를 유용한 화학 원료로 바꾸는 열촉매를 개발하고, 우수한 성능을 내는 원리를 원자 수준에서 규명했다고 12일 밝혔다.
이 교수는 미국 스토니브룩대학교 김태진 교수팀, 브룩헤이븐 국립연구소와의 국제 공동연구에 제1저자로 참여해 원자 수준 시뮬레이션을 수행하며 촉매의 합성과 작동 원리를 밝혀냈다. 이번 성과는 화학공학 분야 국제학술지인 'Applied Catalysis B: Environment and Energy' 온라인 최신호에 게재됐다.
연구팀은 이산화탄소를 연료와 화학제품의 원료로 쓰이는 일산화탄소로 전환하는 '역수성가스전환 반응'에 주목했다. 이산화탄소는 화학적으로 안정해 반응을 유도하기 어려워, 반응을 효과적으로 촉진하면서 고온에서도 성능을 유지하는 촉매가 필요하다.
이에 연구팀은 화학기상증착법으로 산화세륨 표면에 구리 산화물을 고르게 배치하고, 두 소재가 맞닿는 접촉면을 정밀하게 조절한 촉매를 개발했다.
이 교수는 원자와 전자의 에너지를 계산하는 밀도범함수이론(DFT)과 온도에 따른 원자의 움직임을 추적하는 제일원리 분자동역학(AIMD)을 활용해 촉매의 형성과 반응 과정을 분석했다. 이를 통해 구리 원료가 산화세륨 표면에 자리 잡고 산화물로 형성되는 과정을 살펴보고, 합성 조건이 촉매 구조에 미치는 영향을 밝혀냈다.
또한 두 산화물의 접촉면에서 수소와 이산화탄소가 각각 다른 자리에 결합한 뒤 반응하는 과정을 제시했다. 여러 반응 경로를 비교한 결과, '포메이트'라는 중간물질을 거치는 경로가 에너지 측면에서 유리한 것으로 나타났으며, 이는 실험 분석 결과와도 일치했다.
개발한 촉매는 실험 조건에서 300도부터 열역학적으로 가능한 최대 전환 수준인 '평형 전환율'에 근접했다. 생성물 가운데 목표 물질인 일산화탄소가 차지하는 비율을 뜻하는 선택도는 약 100%를 기록했다. 아울러 700도에서 약 120시간 동안 안정적으로 작동했으며, 반복 시험에서도 우수한 성능을 유지했다.
이번 성과는 스토니브룩대학교의 촉매 합성·성능 평가, 브룩헤이븐 국립연구소의 정밀 분석, 이 교수의 원자 수준 시뮬레이션을 결합한 국제 협력의 결과다.
특히 실험에서 확인한 촉매 성능을 이론적으로 설명하고, 성능 향상에 필요한 구조적 요인을 제시했다는 점에서 의미가 있다.
연구 결과는 이산화탄소 전환 기술의 효율과 안정성을 높이고, 새로운 열촉매 소재를 설계하는 데 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
전주=김한식 기자 hskim@etnews.com
