대표적인 지구온난화 가스인 이산화탄소(CO₂)를 전기화학적 반응을 통해 화학산업 기초소재인 에틸렌과 에탄올 등으로 바꾸는 고효율 나노 구리 촉매가 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 오형석·황윤정·이웅희 박사 연구팀은 4일 전기화학적 CO₂ 전환시스템에서 고효율로 에틸렌·에탄올을 얻을 수 있는 성게 모양의 구리 나노촉매 전극을 제작하고 대량생산을 위한 시스템을 개발했다고 밝혔다.

CO₂전환시스템은 온실가스인 CO₂를 모아 에틸렌 등 유용한 화합물로 바꾸는 장치다. 그러나 현재 진행 중인 연구는 대부분 실험실 규모여서 산업에 적용하려면 대용량화와 이에 적합한 고효율 촉매, 전극 개발 등 해결해야 할 과제가 많은 상황이다. 연구팀은 이 연구에서 성게처럼 바늘이 불규칙하게 나 있는 구리 나노 입자를 수산화칼륨(KOH)에 결합해 에틸렌 생산 효율이 높은 성게 모양의 나노 구리 촉매를 개발하고, 이를 여러 층으로 쌓은 대량생산 시스템을 제작해 실용화 가능성을 확인했다. 이 촉매는 구리입자에 성게처럼 바늘이 불규칙적으로 나 있다며 이 바늘의 뾰족한 부분에서 이산화탄소 전환 촉매 활성도가 높아진다고 설명했다.

연구팀이 이 촉매를 3개 층으로 쌓고 10㎠ 대용량으로 제작해 실험한 결과 기존 구리 촉매보다 더 낮은 전압에서도 에틸렌 생성 선택도가 높아 에틸렌 생산량이 50% 이상 증가하는 것으로 나타났다. 전체 생성물 중 에틸렌 비율이 54.5%였고, 에탄올과 아세테이트 등 탄소 2개로 이루어진 화합물이 전체의 80% 이상을 차지했다.

연구진은 반응 중인 촉매의 화학적 특성을 분석해 개발한 촉매에 첨가된 염기성 물질에 의해 수산화구리와 산화구리 성분이 많아지면서 이산화탄소 전환 효율이 높아진다는 사실을 확인했다.

오형석 박사는 "대면적화가 가능한 염기성 물질이 첨가된 나노 구리 촉매 전극을 개발해 전기화학적 CO₂ 전환시스템의 성능과 규모를 크게 높였다"며 "앞으로 이산화탄소 전환 효율을 실용화가 가능한 수준으로 높이는 후속 연구를 할 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 에너지환경 국제학술지 '나노 에너지(Nano Energy) 최신호에 게재됐다.