최근 태양광 등의 신재생에너지를 기반으로 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하는 'e-케미컬' 기술의 연구가 활발합니다. 화석연료 대신 전기화학 반응을 이용하는 이 차세대 친환경 탄소 자원화 기술은 물과 이산화탄소만을 이용해 정교한 반응 조절을 통해 원하는 화합물을 합성할 수 있습니다. 대표적인 것이 '산업의 쌀' 에틸렌입니다. 하지만 이산화탄소가 에틸렌 같은 화합물로 전환되는 반응경로에 대한 이해 부족이 고성능 촉매 시스템 개발의 발목을 잡고 있었습니다.
이런 가운데 국내 연구진이 베일에 싸여 있던 에틸렌 생성 반응의 핵심적인 중간경로를 규명해 촉매 성능 향상의 돌파구를 마련했습니다. 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 황윤정 박사 연구팀은 숙명여자대학교 화공생명공학부 김우열 교수 연구팀과 공동으로 이산화탄소가 환원돼 에틸렌이 합성되는 과정에서 구리 기반 촉매의 표면에 흡착한 반응 중간체를 관찰하고, 실시간으로 거동을 분석하는 데 성공했다고 밝혔습니다. 해당 연구는 <Energy & Environmental Science>에 게재됐습니다.
이산화탄소를 에틸렌으로
그동안 구리 기반 촉매는 이산화탄소를 전환해 상대적으로 간단한 일산화탄소나 개미산뿐만 아니라 탄소가 두 개 이상인 에틸렌, 에탄올 등의 다탄소 화합물도 합성할 수 있는 것으로 보고돼 왔습니다. 하지만 탄소-탄소 결합 반응의 주요 중간체와 경로에 대해서는 밝혀진 바가 없어 고부가가치 화합물을 선택적으로 합성하는 제어 기술의 발전은 한계에 부딪혀 왔습니다.
연구진은 적외선분광학 분석법을 적용하여 나노구리입자 촉매 표면의 이산화탄소 전환 반응에서 일산화탄소 외에 에틸렌이 되는 과정의 중간체(OCCO)와 메탄을 생성하는 중간체(CHO)를 각각 관찰했습니다. 그 결과, 일산화탄소와 에틸렌 중간체(OCCO)는 같은 시간대에 생성되는 반면, 메탄올 중간체(CHO)는 두 중간체에 비해 상대적으로 느리게 생성되는 것을 발견했는데요. 반응경로를 제어하면 촉매 표면에서 화합물 생성의 선택도를 더욱 향상시킬 수 있다는 가능성을 확인했습니다.
이와 함께 탄소-탄소 결합을 촉진해 에틸렌 생성에 뛰어난 성능을 보이는 새로운 촉매 소재로 구리수산화물(Cu(OH)2) 나노와이어를 제시했습니다. 연구진은 구리수산화물 유래 촉매 표면에 일산화탄소(CO)가 흡착할 수 있는 다양한 자리가 존재하며, 이중에 특정자리에 흡착한 일산화탄소가 빠르게 탄소-탄소 결합의 중간체를 생성한다는 것을 확인할 수 있었습니다. 추가 연구를 통해서 그동안 논쟁의 대상이었던 탄소-탄소 결합 반응의 활성 자리 규명에도 크게 기여할 수 있을 것으로 보입니다.
KIST 황윤정 박사는 "본 연구의 성공은 연구소와 대학의 공동연구를 통해서 그동안 국내에서 부족했던 인공광합성 관련 기초원천 연구의 핵심적인 연구 방향을 제시했다는 데 큰 의의가 있다"며 "이를 바탕으로 기후변화에 대응하는 신재생에너지 기반 차세대 탄소자원화 기술의 성장에 많은 기여를 할 수 있을 것"이라고 말했습니다.
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