성균관대 "이산화탄소를 '포름산염'으로 전환"…탄소중립 기술 확보

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 성균관대는 화학과 김영독 교수 연구팀이 온실가스의 주범인 이산화탄소를 고부가가치 화학물질 '포름산염(Formate)'으로 전환하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

김 교수 연구팀은 희토류 금속인 세륨(Ce)을 활용해 촉매 구조에 미세한 '나노 결함(산소 공공)'을 다량으로 만들어낸 새로운 비스무트 기반 나노시트 촉매를 개발했다.

포름산염은 에너지를 많이 저장할 수 있어 친환경 수소 연료전지나 의약품, 화학 공정 등 여러 산업에 다양하게 쓰일 수 있다. 그러나 기존 촉매들은 반응 속도가 느리고, 생성된 물질이 촉매 표면에서 잘 떨어지지 않아 대량 생산할 때 쓰는 높은 전류 조건에서는 효율이 급격히 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 얇은 종이나 스펀지처럼 미세한 구멍과 나노 크기의 결함이 존재하는 2차원 나노시트 형태의 촉매를 설계해 이를 해결했다. 촉매가 만들어지는 과정에서 세륨 산화물 성분이 나노시트의 내부에서 표면 쪽으로 이동하면서 촉매 표면에 유익한 나노 결함을 많이 형성하도록 유도한 것이다.

나노 결함과 세륨 성분의 시너지 효과는 반응이 일어날 때 필수 중간물질이 촉매 표면에 적절한 힘으로 붙어있게 도와주고, 최종 생성물인 포름산염은 표면에서 쉽게 떨어지도록 만들어 전체적인 반응 속도를 크게 끌어올렸다. 또한 이산화탄소 환원을 방해하고 원치 않는 부반응인 수소 발생을 효과적으로 억제하는 성과도 함께 거뒀다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 촉매는 일반적인 실험실 규모(H형 셀) 환경에서 96.2%의 높은 포름산염 패러데이 효율을 보였다.

특히 산업적으로 요구되는 높은 전류밀도 조건을 구현할 수 있는 흐름 전지에서도 96.8%의 뛰어난 패러데이 효율을 나타냈으며, 높은 전류밀도 조건에서도 115시간 동안 85% 이상의 높은 효율을 유지해 장기 가동 안정성까지 입증했다.

김 교수는 "이번 연구는 촉매의 미세한 결함을 정밀하게 조절함으로써 이산화탄소를 유용한 자원으로 바꾸는 효율과 안정성을 동시에 잡은 혁신적인 전략"이라며 "향후 더 친환경적이고 가치가 높은 다중탄소 화합물 전환 촉매 개발을 이어가 탄소중립 실현에 기여하겠다"고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 화학공학 분야의 국제 학술지인 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 지난 10일 온라인 게재됐다.

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