오지훈(왼쪽부터) KAIST 신소재공학과 교수, 왕순언 박사과정, 김범일(동그라미 왼쪽부터) 고려대학교 박사,한승창 박사과정, 스테판 링에 교수.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 이산화탄소를 연료와 화학원료로 전환하는 이산화탄소 포집 및 활용(CCU) 기술 촉매 개발의 새로운 방향을 제시했다.

KAIST는 신소재공학과 오지훈 교수 연구팀이 고려대학교 화학과 스테판 링에 교수 연구팀과 공동연구를 통해, 전기화학적 CO₂환원 반응의 새로운 작동 원리를 규명했다고 21일 밝혔다.

연구팀은 금(Au)·은(Ag)·팔라듐(Pd)을 섞은 합금 촉매를 제작하고, 이 촉매가 CO₂를 어떤 물질로 바꾸는지 분석했다.

기존 촉매 이론은 구리와 비슷하면, 구리처럼 에틸렌·에탄올 같은 다탄소(C2+) 화합물을 만들 수 있을 것으로 예측해왔다.

연구팀은 공동-스퍼터링(여러 금속을 동시에 얇게 입혀 원하는 비율의 새 합금을 만드는 기술) 공정을 활용해 전자적 특성이 구리와 매우 유사한 삼성분계 합금(AuAgPd, 금·은·팔라듐 세 종류 금속을 섞어 만든 합금)을 정밀하게 제작했다.

같은 이산화탄소에서 서로 다른 생성물을 만드는 촉매 반응(AI 생성 이미지).[KAIST 제공]

하지만 실제 실험 결과는 달랐다. 이 합금은 일산화탄소(CO) 같은 단순 생성물은 만들었지만, 에틸렌·에탄올 같은 복잡한 다탄소 화합물은 전혀 생성하지 못했다. 이는 촉매의 전자적 특성만으로는 복잡한 CO₂전환 반응을 설명하기 어렵다는 의미다. 즉 촉매 표면에서 원자들이 어떤 구조로 배열돼 있는지까지 반응 성능에 중요한 영향을 준다는 사실을 확인한 것이다.

연구팀은 이번 연구가 향후 구리를 대체할 차세대 고효율 촉매 개발의 중요한 단서가 될 것으로 기대하고 있다. 특히 단순 전자 구조 중심의 기존 설계를 넘어, 원자 배열까지 고려하는 정밀 촉매 설계 전략이 필요하다는 새로운 방향성을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

오지훈 교수는 “특히 합성가스로부터 항공유를 생산가능하기 때문에, 최근 의무화된 지속가능 항공유 생산에 활용될 수 있다”면서 “향후 실용화를 위한 기술이전에 힘쓸 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’ 5월호에 게재됐다.