(왼쪽 뒤부터 시계방향으로) KAIST의 송학현 박사과정, 오지훈 교수, 탄잉촨 박사후연구원, 이범려 석사과정이 실험에 열중하고 있다.국내 연구진이 지구온난화의 주범인 이산화탄소의 농도를 조절해 에틸렌 등 고부가가치 다탄소화합물로 효율적으로 전환할 수 있는 실마리를 찾아냈다.
이 기술이 상용화하면 ‘산업의 쌀’이라고 불리는 에틸렌이나 살균·소독용이나 바이오 연료로 사용되는 에탄올, 화장품과 치과용 로션이나 살균·살충제에 사용되는 프로판올 등을 생산하는 석유화학 산업에 큰 변화를 불러올 것으로 전망된다.
오지훈 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수 연구팀은 이산화탄소 전기화학 환원 반응 시 값싼 중성 전해물(전해질)에서도 다탄소화합물을 선택적으로 생성할 수 있는 공정을 개발했다고 3일 밝혔다. 이번 연구에는 탄잉촨 박사후연구원과 이범려 석사과정이 제1저자, 송학현 박사과정 학생이 제2저자로 참여했다.
연구팀은 중성 전해물을 사용해 구리(Cu) 촉매층 내부의 이산화탄소 농도를 조절한 결과 기존 공정과 비교해 각각 이산화탄소 전환율은 5.9%에서 22.6%로, 다탄소화합물 선택도는 25.4%에서 약 62%까지 대폭 높아진 공정과 촉매층 구조를 개발했다. 이산화탄소를 전기화학적으로 환원 반응시키면 수소·일산화탄소·메탄 등 다양한 물질이 동시에 생성되는데 그중 두 개 이상의 탄소로 구성된 다탄소화합물이 산업적으로 중요한 가치로 인해 주목받고 있다.
기존 연구는 탄소화합물의 선택도를 높이기 위해 주로 알칼리성 전해물에 의존해 새로운 촉매 개발에 집중해왔으나 부식성과 반응성이 커 유지비용이 비싸고 촉매 전극의 수명도 짧다.
연구팀은 구리 촉매층 내부의 이산화탄소 농도를 오히려 감소시켰는데 성능이 떨어진다고 여겨왔던 중성 전해물에서도 기존의 연구 성과를 뛰어넘는 고성능을 보여줬다. 중성 전해물을 사용했음에도 불구하고 사용된 전극이 10시간이 넘도록 일정하게 높은 다탄소화합물의 선택도와 생성량을 유지한 것이다.
연구팀은 이산화탄소의 물질이동 모사 모델의 결과를 활용해 구리 촉매층의 구조와 이산화탄소 공급농도, 유량을 제어한 결과 촉매층 내부의 이산화탄소 농도를 조절할 수 있었다. 그 결과 내부의 농도가 최적일 때 다탄소화합물의 선택도가 높아졌다.
제1저자인 탄잉촨 박사후연구원은 “이산화탄소 농도만 바꿔도 다탄소화합물의 선택도를 크게 개선할 수 있었다”며 “석유화학 산업에 새로운 변화를 가져오는 전환점이 될 것”이라고 말했다. 이번 연구는 셀프레스의 에너지 분야 국제 학술지인 ‘줄’ 5월호에 게재됐다. /고광본선임기자 kbgo@sedaily.com
