환경오염 없이 이산화탄소를 제거하면서도 석유화학 공정을 통해 얻을 수 있었던 유용한 화학물질을 얻을 수 있는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템은 탄소중립 사회를 만들기 위해 꼭 연구가 필요한 분야입니다. 관련 연구는 많은 발전을 해왔지만 대부분 실험실 규모의 연구에 그치고 있습니다. 실제 산업에 적용되기 위해서는 대용량화와 이에 적합한 촉매, 전극 개발 등 해결해야 할 숙제가 많습니다.

한국과학기술연구원(KIST)은 청정에너지연구센터 오형석, 황윤정, 이웅희 박사 연구팀이 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에서 높은 효율로 에틸렌 및 에탄올을 얻을 수 있는 성게 모양의 구리 나노촉매 전극을 개발해 대량생산을 위한 시스템을 만들었다고 밝혔습니다. 해당 연구는 'Nano Energy'에 게재됐습니다.

성게 형태의 나노 구리 촉매 전극

KIST 연구진은 플라스틱, 합성 고무, 건축자재 등 다양한 일상 제품을 만들 수 있는 석유계 기초 물질인 에틸렌을 대용량으로 생성할 수 있는 성게 모양의 구리 촉매를 개발했습니다. 해당 촉매는 성게처럼 불규칙적인 바늘 형태이기 때문에 바늘의 뾰족한 부분에서 촉매활성도가 높아집니다. 이 촉매를 사용하면 기존의 구리 촉매에 비해 더 낮은 전압에서도 높은 에틸렌 생성 선택도를 가져 에틸렌 생산량이 50% 이상 향상됐습니다. 또한, CO₂ 전환 전지를 여러 개 적층하여 대량생산을 위한 시스템을 제작하여 실용화 가능성을 확인했습니다. 

연구진은 다양한 실시간 분석(In-situ/Operando analysis)을 통해 반응 중인 촉매의 화학적 특성을 분석한 결과 개발한 촉매에 첨가된 염기성 물질에 의해 수산화구리와 산화구리 성분이 많아져 이산화탄소 전환 효율이 높아지는 것을 확인했습니다. 이를 통해 반응 중의 수산화물과 산화물의 비율을 높이는 것이 에틸렌의 생산 효율을 높이는 키임을 밝혀 추후 연구에서 촉매를 디자인하는 방향을 제시했습니다.

KIST 오형석 박사는 "이번 연구는 대면적화가 가능한 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 성능 및 규모를 크게 향상시키고 앞으로의 연구 개발 방향을 제시했다"며 "본 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.

##참고자료##

• Lee, Woong Hee, et al. "Highly selective and stackable electrode design for gaseous CO2 electroreduction to ethylene in a zero-gap configuration." Nano Energy (2021): 105859.

함예솔 다른기사 보기