세계적으로 폭우, 폭염 등 기상이변이 지속되면서 기후변화의 주요 원인인 이산화탄소를 유용한 자원으로 전환하는 업사이클링 기술이 주목받고 있다. 이러한 가운데, 최근 국내 연구진이 이산화탄소 전환에 필요한 고효율 촉매를 개발하는데 성공했다.

한국에너지기술연구원(원장 이창근) 탄소전환연구실 김영은 박사 연구진은 이산화탄소를 알코올, 플라스틱 등 다양한 화학제품의 기초물질인 일산화탄소로 전환시키는 니켈 단일원자 촉매를 개발했다. 개발한 촉매는 기존 은(Ag) 나노입자 촉매보다 30배 더 적은 금속양을 사용하고도 일산화탄소 생산속도를 최대 7배까지 향상시켜 생산비용을 크게 낮출 수 있다.

이산화탄소의 일산화탄소 전환에는 금, 은과 같이 비싼 귀금속 촉매가 사용돼 상용화로 이어지기 어려웠다. 최근에는 철, 니켈과 같이 저렴한 촉매로 대체되고 있으나 촉매 제조과정이 복잡하고 일산화탄소 생산속도도 낮아 추가적인 기술 개발이 필요한 상황이다.

이에 연구진은 저렴하면서도 높은 효율로 일산화탄소를 생산할 수 있는 니켈 단일원자 촉매를 개발했다. 연구진은 니켈원자를 질소원자와 결합한 후 탄소나노튜브 위에 고르게 분산시켜 적은 양으로도 높은 반응성을 얻는데 성공했다. 질소원자는 니켈과 같은 전이금속의 화학적 흡착을 크게 증가시키는데, 이로 인해 니켈의 반응이 활발해져 전체적인 반응속도가 향상된 것이다.

또 대부분의 단일원자 촉매 합성은 열처리와 산처리 등 여러 복잡한 과정이 필요하지만, 연구진이 개발한 촉매는 니켈과 질소를 포함한 전구체와 탄소지지체를 혼합하고 열처리를 진행하는 간단한 공정으로 합성할 수 있어 향후 대량생산에도 용이하다.

연구진이 개발한 촉매는 상용 음이온교환막에 적용해 실험한 결과 100mA/cm² 조건에서 70시간 동안 98%의 높은 선택도*와 안정성을 유지하는 우수한 성능을 보였다.

연구를 주도한 김영은 박사는 “이번 연구를 통해 이산화탄소를 효율적·안정적으로 전환하여 일산화탄소를 생산할 수 있는 핵심소재 원천기술을 확보했다.”며, “향후 저가 단일원자 촉매 기반의 막전극접합체와 셀 개발이 완성되어 산업체에 이전되면, 이산화탄소를 애물단지에서 보물단지로 바꿀 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.

연구결과는 소재·나노과학기술 분야 최우수 국제학술지인 ‘ACS Energy Letters(IF 22)에 게재됐으며, 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업과 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐다.