[에너지단열경제]이재철 기자
전기화학적 이산화탄소 전환 에틸렌 생성과정에서 촉매 표면의 실시간 분석 기술 모식도./KIST 제공
한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 황윤정 박사 연구팀이 숙명여대 화공생명공학부 김우열 교수 연구팀과 공동으로 이산화탄소가 에틸렌으로 합성되는 과정에서 구리 기반 촉매의 표면에 달라붙은 반응 중간체를 관찰하고, 실시간으로 움직임을 분석하는데 성공했다.
이번 성과는 이산화탄소를 이용해 '산업의 쌀'이라 불리는 에틸렌이 만들어지는 핵심적 중간 경로를 밝혀낸 것으로 신재생에너지 기반의 탄소화합물 제조기술의 열쇠인 새로운 촉매 개발에 큰 역할을 할 것으로 보인다.
구리 기반 촉매는 이산화탄소로 일산화탄소나 메탄, 개미산뿐만 아니라 탄소가 두 개 이상인 에틸렌, 에탄올 등의 다탄소 화합물도 만들어낼 수 있다.
하지만 탄소 간 결합 반응의 주요 중간체와 경로에 대해서는 밝혀진 바가 없다.
이 때문에 고부가가치 화합물을 선택적으로 합성하는 제어기술 발전에 한계가 있었다.
연구팀은 적외선분광학 분석법을 적용해 나노 구리입자 촉매 표면의 이산화탄소 전환 반응에서 일산화탄소 외에 에틸렌이 되는 과정의 중간체(OCCO)와 메탄을 생성하는 중간체(CHO)를 각각 관찰했다.
그 결과, 일산화탄소와 에틸렌 중간체(OCCO)는 같은 시간대에 만들어졌다.
반면, 메탄올 중간체(CHO)는 두 중간체에 비해 상대적으로 느리게 만들어졌다.
연구팀은 또 구리수산화물 나노와이어가 에틸렌을 만드는데 뛰어난 성능을 가진 새로운 촉매 소재임을 제시했다.
구리수산화물 유래 촉매 표면에 일산화탄소가 붙을 수 있는 다양한 자리가 존재한다는 것을 알아냈다.
특정자리에 달라붙은 일산화탄소가 빠르게 탄소 간 결합의 중간체를 생성한다는 것도 확인했다.
연구팀은 추가 연구를 통해서 그동안 논쟁의 대상이었던 탄소-탄소 결합 반응의 활성 자리 규명에도 크게 기여할 수 있을 것이라고 설명했다.
황윤정 박사는 "이를 바탕으로 기후변화에 대응하는 신재생에너지 기반 차세대 탄소자원화 기술의 성장에 많은 기여를 할 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구결과는 에너지·환경과학 분야 국제 학술지인 '에너지와 환경과학' 최신호에 게재됐다.
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