성균관대학교 연구진이 온실가스의 주범인 이산화탄소를 친환경 연료 원료와 화학 소재로 활용되는 포름산염(Formate)으로 높은 효율로 전환하는 고성능 촉매를 개발했다.

성균관대는 24일 화학과 김영독 교수 연구팀이 희토류 금속인 세륨(Ce)을 활용해 촉매 구조에 미세한 '나노 결함(산소 공공)'을 다량 형성한 새로운 비스무트 기반 나노시트 촉매를 개발했다고 밝혔다.

최근에는 공기 중 이산화탄소를 포집한 뒤 신재생에너지 전기를 이용해 유용한 화학물질로 전환하는 '이산화탄소 전기환원 기술'이 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다. 특히 생성물인 포름산염은 친환경 수소연료전지와 의약품, 화학 공정 등에 폭넓게 활용할 수 있는 고부가가치 물질이다.

다만 기존 촉매는 반응 속도가 느리고 생성물이 촉매 표면에서 쉽게 떨어지지 않아 공장 수준의 높은 전류 조건에서는 효율이 크게 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 얇은 2차원 나노시트 형태의 촉매를 설계했다. 촉매가 만들어지는 과정에서 세륨 산화물이 내부에서 표면으로 이동하도록 유도해 촉매 표면에 반응에 유리한 나노 결함을 풍부하게 형성했다.

이 과정에서 생성된 나노 결함과 세륨 성분은 반응 중간체는 적절한 강도로 붙잡아 두고 최종 생성물인 포름산염은 쉽게 분리되도록 해 전체 반응 속도를 높였다. 동시에 이산화탄소 환원을 방해하는 수소 발생 반응도 효과적으로 억제했다.

실험 결과 연구팀이 개발한 촉매는 일반적인 실험실 환경(H형 셀)에서 포름산염 패러데이 효율 96.2%를 기록했다. 산업용 흐름 전지 환경에서도 96.8%의 높은 효율을 나타냈으며, 높은 전류밀도 조건에서도 115시간 동안 성능 저하 없이 85% 이상의 효율을 유지해 장기 안정성도 입증했다.

패러데이 효율은 투입된 전하 가운데 목표 생성물 생산에 실제 사용된 전하의 비율을 의미한다.

김영독 교수는 "이번 연구는 촉매의 미세한 결함을 정밀하게 제어해 이산화탄소를 유용한 자원으로 전환하는 효율과 안정성을 동시에 확보한 전략"이라며 "앞으로 더 친환경적이고 부가가치가 높은 다중탄소 화합물 전환 촉매 개발로 이어가 탄소중립 실현에 기여하겠다"고 밝혔다.

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