[투데이에너지 장재진 기자]한국재료연구원(KIMS)과 KAIST의 연구팀이 이산화탄소(CO2)를 화학 연료와 화합물로 전환하는 효율을 극대화하는 혁신적인 촉매 기술을 개발했다.
최근 기후 변화와 탄소 배출 문제의 심각성이 대두되고 있는 가운데, CO2를 자원으로 활용하는 기술의 필요성이 더욱 커지고 있다. 이 연구는 이러한 필요에 부응하는 중요한 성과로 평가받고 있다.
16일 한국재료연구원에 따르면 기존의 CO2 전환 기술은 높은 에너지를 소비하면서도 효율이 낮아 상용화가 어려웠다. 특히 단원자 촉매(SACs)의 경우, 촉매 합성이 복잡하고 금속 산화물 지지체와의 결합 안정성을 유지하는 데 어려움이 있었다.
이에 따라 연구팀은 단일 및 이중 단원자 촉매(DSACs) 기술을 개발하고, 간단한 공정을 통해 촉매 효율을 높이는 방법을 제안했다. 이중 단원자 촉매는 금속 간의 전자 상호작용을 활용해 기존 대비 50% 이상의 높은 전환율과 뛰어난 선택성을 실현했다.
연구팀의 기술은 금속 산화물 지지체 내 산소 결함(Oxygen Vacancy)과 결함 구조를 정밀하게 제어함으로써 CO2 전환 반응의 효율과 선택성을 획기적으로 높이는 촉매 설계 기술이다. 이 기술은 산소 결함이 촉매 표면에 CO2가 잘 흡착되도록 돕고, 단원자 및 이중 단원자는 수소(H2) 흡착을 촉진해 이산화탄소가 수소와 만나 원하는 화합물로 쉽게 전환되도록 한다. 특히, 이중 단원자 촉매는 두 금속 원자 간의 전자 상호작용을 통해 반응 경로를 조절하고 효율을 극대화했다.
또한 연구팀은 에어로졸 분무 열분해법(Aerosol-Assisted Spray Pyrolysis)을 적용하여 간단한 공정으로 촉매를 합성하고 대량 생산 가능성을 확보했다. 이 방법은 복잡한 중간 과정 없이 액체 상태의 재료를 에어로졸로 만들고 뜨거운 챔버에서 촉매를 완성하는 방식으로 진행된다. 이를 통해 금속 산화물 지지체 내부에 금속 원자를 균일하게 분산시키고 결함 구조를 정밀하게 조절할 수 있다.
이처럼 금속 산화물 지지체의 결함 구조를 정밀하게 제어함으로써 단일 및 이중 단원자 촉매를 안정적으로 형성하고, CO2 전환 효율을 두 배 이상 향상시키며 99% 이상의 높은 선택성을 구현했다.
이 기술은 화학 연료 합성, 수소 생산, 청정 에너지 산업 등 다양한 분야에 활용될 가능성이 크다.
연구책임자인 박다희 선임연구원은 “본 기술은 이산화탄소 전환 촉매의 성능을 획기적으로 향상시키고, 간단한 공정을 통해 상용화를 가능하게 한 중요한 성과”라고 설명했다.
KAIST의 박정영 교수는 “이 연구는 새로운 종류의 단원자 촉매를 쉽게 합성할 수 있어 다양한 화학 반응에 쓰일 수 있으며 온실가스로 인한 지구온난화 문제 해결에 중요한 기여를 할 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구 결과는 권위 있는 저널인 어플라이드 카탈러시스 B: 인바이런멘탈 앤 에너지(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)에도 게재됐다. 이 성과는 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로서 향후 다양한 산업에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.
■ 용어 설명
1. 단원자 촉매(Single-Atom Catalysts, SACs)= 촉매 내 금속 원자가 단일 원자 형태로 존재하는 촉매로, 높은 활성도와 선택성을 제공하며, 효율적인 화학 반응을 유도함.
2. 이중 단원자 촉매(Dual Single-Atom Catalysts, SACs)= 두 개의 서로 다른 금속 원자가 단일 원자 형태로 존재하며, 금속 간 전자 상호작용을 통해 촉매 반응의 효율성과 선택성을 극대화할 수 있는 촉매.
3. 에어로졸 분무 열분해법(Aerosol-Assisted Spray Pyrolysis)=액상 전구체를 초미세 에어로졸 형태로 분무한 후 고온에서 열분해하여 단일 및 이중 단원자 촉매를 합성하는 간단하고 효과적인 합성 기술.