‘이산화탄소→에너지’ 인공광합성 기술적 난제 해결

‘전환효율 98%, 안정성 100%’ 포름산 생성 촉매기술 개발
박순주 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2019-10-04 08:33:42
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▲ <자료=KIST>
[환경미디어=박순주 기자] 온실가스 주범인 이산화탄소(CO2)를 에너지원으로 만드는 인공광합성 분야의 기술적 난제를 해결하는 기술이 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 민병권 본부장, 황윤정 박사 연구팀은 서울대학교(서울대, 총장 오세정) 재료공학부 남기태 교수 연구팀과의 전략적 협력 연구인 ‘KIST Joint Research lab’ 사업을 통해 인공광합성 분야의 난제 중 하나인 이산화탄소로부터 포름산을 안정적으로 만들어내는 전기분해 기술을 개발했다고 지난 9월11일 밝혔다.

이산화탄소를 전기화학적으로 포름산으로 전환하는 기술은 탄소 배출량을 줄이고 전기에너지를 포름산이라는 화학적 형태로 저장해 에너지원을 만든다.

팔라듐 금속은 포름산 생성 반응에서 유일하게 낮은 과전압과 높은 선택도를 동시에 보여주는 촉매로 알려져 있다. 그러나 일산화탄소 고정으로 인한 안정성 문제가 있어서 산업적 활용이 불가능했다.

인공광합성 기술은 태양광과 같은 신재생 전기에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 탄화수소 화합물로 전환하는 기술이다.

이 기술은 이산화탄소 저감 효과와 더불어 유용한 연료 및 고부가가치 화학 원료를 생산하기 때문에 미래 친환경 에너지 및 화학 산업을 선도할 수 있는 핵심 기술이다.

‘팔라듐’ 금속을 촉매로 활용하면 이산화탄소를 포름산으로 전환할 수 있다. 포름산은 상온에서 자발적으로 수소로 전환되며, 안정적인 액체 상태로 존재해 운반이 쉽다.

따라서 향후 차세대 자동차 연료로 사용될 가능성이 크며 수소 에너지 산업과도 깊은 연관성을 가지는 중요한 화학물질이다.

또 팔라듐 금속은 이산화탄소로부터 포름산을 전기화학적 방법으로 전환할 때, 가장 효과적인 촉매로 알려져 있다. 매우 높은 선택도로 포름산을 만들어내는 획기적인 소재이다.

하지만 반응 도중 생성되는 물질인 일산화탄소가 촉매 표면에 흡착되어 촉매 성능이 빠르게 저하되는 고질적인 문제가 있어서 산업적으로 활용되지 못하고 있다.

▲ 서울대-KIST 공동연구진 <사진=KIST>
서울대-KIST 공동연구진은 전압을 가해 산화반응을 유도하면 촉매 표면에 흡착된 일산화탄소가 포름산보다 먼저 산화된다는 사실에 주목했다.

더욱이 특정 전압 범위에서는 포름산에는 영향을 주지 않고 문제가 되는 일산화탄소만을 산화시켜 제거할 수 있다는 사실을 새롭게 발견했다.

이러한 과학적 발견을 바탕으로 환원/산화 반응을 주기적으로 교차해 유도하는 새로운 ‘2단계 전기분해법’을 고안, 촉매 활성이 영구적으로 유지되면서 98%의 선택도로 포름산을 생성해내는 놀라운 촉매 반응 시스템을 개발했다.

민병권 KIST 본부장은 “이 연구는 국내 최고의 대학과 연구소의 연구자들이 힘을 합쳐 인공광합성 기술의 가장 어려운 숙제인 촉매 안정성 문제를 해결하기 위한 돌파구를 마련했다는 점에서 큰 파급력이 있다”라고 전하며 “또한 연구를 주도적으로 수행한 이찬우 박사는 올해 국민대학교 응용화학과 조교수로 임용되는 등 연구 성과뿐만 아니라 인재 양성 측면에서도 새로운 학연 협력의 좋은 모델을 구축했다는 점에도 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

KIST는 2016년부터 국내의 유능한 교수를 선정해 KIST의 최고 수준 연구팀과의 전략적 협력 연구를 통해 고난도 기술 난제 해결 및 세계적 연구 성과 창출을 위한 새로운 형태의 융합연구 프로그램인 ‘KIST Joint Research Lab’ 사업을 진행하고 있다.

특히 서울대-KIST Joint Research Lab은 우리나라 인공광합성 기술의 실용화를 위한 허브가 될 것으로 기대하고 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원을 받아 KIST Joint Research Lab 사업으로 수행됐으며, 연구결과는 종합 과학 분야 저명 국제 학술지인 ‘Nature Communications(IF:11.878, JCR 분야 상위 6.52%)’ 최신호에 게재됐다.

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