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이산화탄소가 ‘산업의 쌀’ 에틸렌으로…

작성자 : 취재부 2020-11-23 | 조회 : 1396

- CO2→에틸렌 전기화학 반응 속 중간체·전환경로 규명

- 신재생에너지 기반 탄소화합물 제조기술 열쇠 ‘촉매’ 개발 청신호

최근 태양광 등의 신재생에너지를 기반으로 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하는 ‘e-케미컬’ 기술의 연구가 활발하다. 화석연료 대신 전기화학 반응을 이용하는 이 차세대 친환경 탄소 자원화 기술은 물과 이산화탄소만을 이용하여 정교한 반응조절을 통해 원하는 화합물을 합성할 수 있다.

대표적인 것이 ‘산업의 쌀’ 에틸렌이다. 하지만 이산화탄소가 에틸렌 같은 화합물로 전환되는 반응경로에 대한 이해 부족이 고성능 촉매 시스템 개발의 발목을 잡고 있었다.

이런 가운데 국내 연구진이 베일에 싸여 있던 에틸렌 생성 반응의 핵심적인 중간경로를 규명해 촉매 성능 향상의 돌파구를 마련했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 청정에너지연구센터 황윤정 박사 연구팀은 숙명여자대학교(총장 장윤금) 화공생명공학부 김우열 교수 연구팀과 공동으로 기후변화대응기술개발사업(차세대탄소자원화사업단, 단장 전기원)의 지원을 받아 이산화탄소가 환원되어 에틸렌이 합성되는 과정에서 구리 기반 촉매의 표면에 흡착한 반응 중간체를 관찰하고, 실시간으로 거동을 분석하는 데 성공했다고 밝혔다.

그동안 구리 기반 촉매는 이산화탄소를 전환하여 상대적으로 간단한 일산화탄소나 메탄, 개미산뿐만 아니라 탄소가 두 개 이상인 에틸렌, 에탄올 등의 다탄소 화합물도 합성할 수 있는 것으로 보고되어 왔다. 하지만 탄소-탄소 결합 반응의 주요 중간체와 경로에 대해서는 밝혀진 바가 없어 고부가가치 화합물을 선택적으로 합성하는 제어기술의 발전은 한계에 부딪혀 왔다.

전기화학적 이산화탄소 전환 에틸렌 생성과정에서 촉매 표면의 실시간 분석 기술 모식도

연구진은 적외선분광학 분석법을 적용하여 나노 구리 입자 촉매 표면의 이산화탄소 전환 반응에서 일산화탄소 외에 에틸렌이 되는 과정의 중간체(OCCO)와 메탄을 생성하는 중간체(CHO)를 각각 관찰했다.

그 결과, 일산화탄소와 에틸렌 중간체(OCCO)는 같은 시간대에 생성되는 반면, 메탄올 중간체(CHO)는 두 중간체에 비해 상대적으로 느리게 생성되는 것을 발견해 반응경로를 제어하면 촉매 표면에서 화합물 생성의 선택도를 더욱 향상시킬 수 있다는 가능성을 확인했다.

이와 함께 탄소-탄소 결합을 촉진해 에틸렌 생성에 뛰어난 성능을 보이는 새로운 촉매 소재로 구리 수산화물(Cu(OH)2) 나노와이어를 제시했다. 연구진은 구리 수산화물 유래 촉매 표면에 일산화탄소(CO)가 흡착할 수 있는 다양한 자리가 존재하며, 이 중 특정 자리에 흡착한 일산화탄소가 빠르게 탄소-탄소 결합의 중간체를 생성한다는 것을 확인할 수 있었다. 추가 연구를 통해서 그동안 논쟁의 대상이었던 탄소-탄소 결합 반응의 활성 자리 규명에도 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다.

KIST 황윤정 박사는 “본 연구의 성공은 연구소와 대학의 공동연구를 통해서 그동안 국내에서 부족했던 인공광합성 관련 기초원천 연구의 핵심적인 연구 방향을 제시했다는 데 큰 의의가 있다”라며, “이를 바탕으로 기후변화에 대응하는 신재생에너지 기반 차세대 탄소 자원화 기술의 성장에 많은 기여를 할 수 있을 것”이라고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화대응기술개발사업 (차세대탄소자원화사업단, 단장 전기원)으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지·환경과학 분야 국제 학술지인 「Energy & Environmental Science」 (IF : 30.289, JCR 분야 상위 0.189%) 최신 호에 게재되었다.

* 논문명: Time-resolved observation of C-C coupling intermediates on Cu electrodes for selective electrochemical CO2 reduction