화학 이산화탄소 자원화 ‘걸림돌’ 해결 실마리 찾았다

이산화탄소 자원화 ‘걸림돌’ 해결 실마리 찾았다

황윤정 KIST 책임연구원. KIST 제공.

지구온난화의 원인으로 지목되는 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하는 연구가 최근 활발하다. 대표적인 게 이산화탄소를 화학공업의 출발 원료로 사용되는 에틸렌으로 변환하는 연구다.  그러나 이산화탄소가 에틸렌으로 전환되는 반응에 대한 이해가 부족했다. 

한국과학기술연구원(KIST)은 황윤정 청정에너지연구센터 책임연구원 연구팀이 에틸렌 생성 반응의 핵심 중간경로를 규명해 촉매 성능 향상의 돌파구를 마련했다고 9일 밝혔다. 

김우열 숙명여대 화공생명공학부 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 이산화탄소 환원으로 에틸렌이 합성되는 과정에서 구리 기반 촉매의 표면에 흡착한 반응 중간체를 관찰하고 실시간으로 거동을 분석하는 데 성공한 것이다. 

구리 기반 촉매는 이산화탄소를 전환해 메탄이나 에틸렌, 에탄올 등 화합물로 합성하는 데 활용됐다. 그러나 화합물을 선적으로 합성하는 제어기술은 한계가 있었다.

연구진은 적외선분광학 분석법을 적용해 나노구리입자 촉매 표면의 이산화탄소 전환 반응에서 일산화탄소 외에 에틸렌이 되는 과정의 중간체와 메탄을 생성하는 중간체를 각각 관찰했다. 그 결과 일산화탄소와 에틸렌 중간체는 같은 시간대에 생성되는 반면 메탄올 중간체는 상대적으로 느리게 생성됐다. 이 때 반응경로를 제어하면 촉매 표면에서 화합물 생성 선택도를 높일 수 있는 가능성을 확인했다. 

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연구진은 또 에틸렌 생성에 뛰어난 성능을 보이는 새로운 촉매 소재로 구리수산화물 나노와이어를 제시했다. 구리수산화물 촉매 표면에 일산화탄소가 흡착할 수 있는 다양한 자리가 존재하며 이중 특정자리에 흡착한 일산화탄소가 빠르게 탄소-탄소 결합의 중간체를 생성한다는 사실을 확인했다. 탄소-탄소 결합 반응은 고부가가치 화합물을 이산화탄소로부터 전환하는 데 필수적인 반응이다. 

황윤정 책임연구원은 “이번 연구는 기후변화에 대응하는 신재생에너지 기반 차세대 탄소자원화 기술 개발에 기여할 것으로 예상된다”고 말했다. 이번 연구는 국제학술지 ‘에너지환경과학’ 최신호에 게재됐다.