온실가스의 변신…아주대, CO₂를 화학원료로 바꿔

이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 새로운 촉매 전극과 그 성능을 보여주는 이미지.

아주대학교 연구진이 고가의 귀금속 없이 이산화탄소(CO₂)를 일산화탄소(CO)로 전환하는 비귀금속 촉매 전극을 개발했다.

아주대는 조인선 첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과 교수 연구팀이 구리 산화물(CuO)과 주석 산화물(SnO₂)을 결합한 헤테로 계면 기반 전극을 제작해 전기화학적 이산화탄소 환원 반응에서 최대 92%의 CO 선택도를 확인했다고 29일 밝혔다.

개발 전극은 실제 이산화탄소 전환 장치에 쓰이는 제로갭 구조의 막전극접합체(MEA) 셀에서 350시간 이상 안정적으로 구동됐다. 이 기술은 재생에너지 기반 전기로 CO₂를 CO 등 기초 화학 원료로 전환하는 방식이며, 연구팀은 고전류 조건에서 전극의 장기 안정성을 확인했다.

기존 전극은 금(Au), 은(Ag) 등 고가 귀금속 촉매에 의존하는 경우가 많았다. 상용 공정에 필요한 반응 선택도와 장기 안정성을 확보하는 것도 과제로 남아 있었다.

아주대 연구팀은 1300도 이상 초고온 화염 기반 고속 합성 공정을 적용했다. 구리 산화물 나노와이어 표면에 주석 산화물 나노클러스터를 결합해 CuO/SnO₂ 헤테로 계면을 형성하는 방식이다.

합성 공정은 약 10초 만에 끝난다. 이 과정에서 표면 재구성이 일어나 Cu⁺ 이온과 산소 공공이 풍부한 계면이 만들어진다. 연구팀은 이 계면이 CO₂ 흡착을 강화하고 주요 반응 중간체를 안정화해 CO 생성 선택도를 높인 것으로 분석했다. 동시에 경쟁 반응인 수소 발생 반응은 억제됐다.

연구는 아주대를 중심으로 미국 스탠퍼드대, 한국화학연구원이 참여한 국제 공동연구로 진행됐다. 아주대 아루무감 시바난탐 박사는 촉매 합성과 전기화학 성능 평가를, 사마드한 캅세 박사는 촉매 반응 기구 계산 연구를 맡았다. 스탠퍼드대는 CO₂ 전환용 MEA 시스템 설계와 검증을 지원했고, 한국화학연구원 한길상 박사는 소재 특성 분석에 참여했다.

조 교수는 “화염 합성 기반의 헤테로 계면 및 결함 공학이 비귀금속 촉매의 성능 한계를 보완할 수 있는 설계 원리임을 확인했다”며 “상용 시스템에서 350시간 이상의 안정적 구동을 확인해 대규모 탄소 자원화 공정 적용 가능성을 제시했다”고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지·촉매·환경 분야 국제 학술지 'Applied Catalysis B: Environment and Energy' 4월호에 게재됐다.

수원=김동성 기자