국민대 이찬우교수, KIST-서울대 '안정성 확보' 포름산 생성 촉매 기술 개발

KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)와 서울대가 공동연구를 통해 인공광합성 분야 난제인 촉매 안정성 문제를 푸는데 성공했다. KIST는 민병권 박사팀과 남기태 서울대 교수가 이산화탄소로부터 포름산을 안정적으로 만들어내는 전기분해 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

인공광합성 기술은 태양광과 같은 신재생 전기에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 탄화수소 화합물로 전환하는 기술이다. 이 기술은 이산화탄소 저감 효과와 더불어 유용한 연료 및 고부가가치 화학 원료를 생산하기 때문에 미래 친환경 에너지 및 화학 산업을 선도할 수 있을 것으로 기대된다.

팔라듐 금속을 촉매로 활용하면 이산화탄소를 포름산으로 전환할 수 있다. 포름산은 상온에서 자발적으로 수소로 전환되며 안정적인 액체 상태로 존재해 운반이 쉽다. 향후 차세대 자동차 연료로 사용될 가능성이 크며 수소 에너지 산업과도 깊은 연관성을 가지는 중요한 화학물질이다.

팔라듐 금속은 이산화탄소로부터 포름산을 전기화학적 방법으로 전환할 때, 가장 효과적인 촉매로 알려져 있다. 하지만 반응 도중 생성되는 물질인 일산화탄소가 촉매 표면에 흡착되어 촉매 성능이 빠르게 저하되는 고질적인 문제가 있어서 산업적으로 활용되지 못하고 있다.

공동연구진은 전압을 가해 산화 반응을 유도하면 촉매 표면에 흡착된 일산화탄소가 포름산보다 먼저 산화된다는 사실에 주목했다. 또 특정 전압 범위에서는 포름산에는 영향을 주지 않고 문제가 되는 일산화탄소만을 산화시켜 제거할 수 있다는 사실을 새롭게 발견했다.

이러한 과학적 발견을 바탕으로 환원·산화 반응을 주기적으로 교차해 유도하는 새로운 '2단계 전기분해법'을 고안했다. 그 결과 촉매 활성이 영구적으로 유지되면서 98%의 선택도로 포름산을 생성해내는 놀라운 촉매 반응 시스템을 개발했다. 이번 성과는 네이처 커뮤니케이션즈 최신호에 실렸다.

민병권 박사는 "대학과 연구소가 힘을 합쳐 인공광합성 기술의 가장 어려운 숙제인 촉매 안정성 문제를 해결하기 위한 돌파구를 마련했다는 점에서 큰 파급력이 있다"며 "본 연구를 주도적으로 수행한 이찬우 박사는 올해 국민대학교 응용화학과 조교수로 임용됐다. 연구성과뿐만 아니라 인재 양성 측면에서도 새로운 학연 협력의 좋은 모델을 구축했다는 점에도 큰 의의가 있다"고 말했다.

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