한국화학연구원(이하 화학연)이 이산화탄소를 산업 원료인 일산화탄소로 전환할 때 고온에서 촉매가 뭉쳐 성능이 떨어지는 문제를 원자 단위 설계로 해결했다.
화학연 화학공정연구본부 김현탁 박사팀은 경북대 김영진 교수팀, UNIST 이근식 교수팀, 충남대 김상준 교수팀과 공동연구로 구리와 니켈을 원자쌍 형태로 고정한 이중 원자 촉매를 개발했다.
이번 연구는 그동안 mg 단위에 머물던 원자 촉매 합성을 10g 규모 합성 상용공정 적용 가능성을 입증한 것으로 평가된다.
이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 역수성가스전환(RWGS) 공정은 탄소 중립 실현을 위한 핵심 기술이다.
하지만 이산화탄소 분자는 매우 안정적이어서 500~600℃ 이상 고온이 필요하다.
문제는 이 과정에서 니켈이나 백금 같은 기존 촉매 입자가 서로 뭉치는 소결 현상이 발생해 성능이 급격히 저하된다.
연구팀은 질소가 포함된 탄소 구조 안에 두 금속 원자를 원자쌍 형태(N2Cu-N2-NiN2)로 단단히 고정하는 합성법을 적용했다.
이 구조는 금속 원자가 고온에서도 제자리를 지키게 해 소결 현상을 원천 차단하고, 금속을 원자 단위로 쪼개 투입량을 극소화하면서도 동일한 성능을 내 경제성도 뛰어나다.
실험 결과 연구팀이 개발한 촉매는 300~600℃ 범위에서 메탄 같은 불순물 없이 일산화탄소만 100% 선택적으로 생산했다.
600℃ 조건에서는 이론적 한계치인 66%에 근접한 64% 전환율을 기록했다. 특히 온도를 급격히 변화시키는 가혹 조건에서 100시간 이상 운전한 후에도 구조 변화 없이 처음 성능을 유지했다.
또 연구팀은 고가 장비 대신 용액 기반 혼합과 건조와 열처리만으로 촉매를 만드는 공정을 설계했다.
이를 통해 한 번에 15g 수준까지 재현성 있게 제조하는 스케일업에 성공하며 양산 가능성을 확인했다.
이는 기존 원자촉매가 구조적 스트레스에 취약해 대량 생산이 어려웠던 점을 극복한 성과다.
이 기술은 온실가스를 자원화해 메탄올, 합성연료, 플라스틱 원료를 만드는 탄소 자원화 밸류체인의 관문 역할을 할 것으로 기대된다.
특히 재생에너지 기반 그린수소와 결합하면 전력을 연료나 화학제품으로 바꾸는 공정 효율을 획기적으로 높일 전망이다.
김 박사는 “구리-니켈 이중 원자구조를 정밀 설계해 고온 열화학 조건에서도 구조가 무너지지 않음을 입증했다”며 “이중 원자 사이 전자의 상호작용이 이산화탄소 활성화를 돕고 생성된 일산화탄소가 빠르게 떨어져 나가게 해 반응 효율을 극대화하는 원리”라고 설명했다.
이영국 화학연 원장은 “이번 연구는 원자 촉매 안정성 한계 극복과 대량 합성 가능성을 동시에 보여줘 국내 탄소 중립 기술 경쟁력을 강화했다”고 말했다.
한편, 이번 연구결과는 지난해 11월 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
(논문명: 최적화된 열화학적 CO₂ 환원을 위한 이중 원자 촉매의 합리적인 합성 Rational synthesis of dual-atom catalysts for optimized thermochemical CO₂ reduction / 저자 - 김경민 연구원(화학연, 1저자), 문진홍 연구원(UNIST, 1저자), 김현탁 선임연구원(화학연, 교신저자), 김영진 교수(경북대, 교신저자), 이근식 교수(UNIST, 교신저자), 김상준 교수(충남대, 교신저자))
