September 17,2019

이산화탄소로 화학원료 ‘포름산’ 만드는 인공광합성기술 개발

KIST "촉매 반응 안정성·효율 향상…포름산 전환 효율 98% 달성"

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온실가스인 이산화탄소를 세척제, 향료 제조 등에 쓰는 ‘포름산’으로 전환할 수 있는 방법이 개발됐다. 포름산 생성 과정에 쓰는 촉매의 활성을 안정시켜 전환 효율을 98%까지 높였다.

한국과학기술연구원(KIST) 민병권 국가기반기술연구본부장·황윤정 박사팀과 서울대 재료공학부 남기태 교수 연구팀은 10일 이런 연구 결과를 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications·9월 2일자)에 발표했다고 밝혔다.

최근 지구 온난화 주범으로 알려진 이산화탄소를 부가가치가 있는 물질로 전환해 자원화하는 인공광합성 기술 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 이런 기술은 나뭇잎이 햇빛을 받아 물과 이산화탄소로 탄수화물을 만들어내는 ‘광합성’ 과정과 유사해 ‘인공광합성’ 기술로 불린다.

이 기술의 핵심은 안정한 물질인 이산화탄소를 다른 유용한 화합물로 전환하는 촉매다. 팔라듐 금속을 촉매로 쓰면 이산화탄소를 포름산으로 전환할 수 있다. 포름산은 현재 화학원료로 쓰고 있지만 앞으로 수소 에너지 산업에 이용되리라 기대를 모으는 물질이다. 액체 상태로 존재해 운반이 쉬운 데다 상온에서 수소로 전환되기 때문이다.

그러나 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 과정이 쉽지 않아 산업적으로 활용되기는 어려운 상황이다. 전환 과정에 발생한 일산화탄소가 팔라듐 촉매 표면에 붙어 촉매 성능을 떨어뜨리는 문제가 아직 해결되지 않아 산업화에 걸림돌이 되고 있다.

연구진은 촉매 표면에 전압을 가하면 흡착된 일산화탄소를 산화시켜 제거할 수 있음을 확인했다. 문제는 일산화탄소에 이어 생성된 포름산까지 산화된다는 것이다. 그러나 연구진은 일산화탄소 산화가 일어나는 특정 범위의 ‘산화 전위’에서는 포름산 산화가 일어나지 않는다는 사실을 발견했다. 이는 전압을 산화 전위 범위로 조절하면 촉매 표면의 일산화탄소만 선택적으로 제거할 수 있음을 시사하는 것이다.

이를 바탕으로 연구진은 10분간은 촉매에 포름산이 만들어지는 환원 전위를 걸고 10초 동안은 촉매 표면의 일산화탄소를 산화시키는 산화 전위를 가하는 ’2단계 전기분해법’을 고안했다.

이 기술을 전환 시스템에 적용한 결과 약 130mV에서 45시간 동안 전류밀도가 그대로 유지됐으며, 포름산 전환 선택도는 98% 정도였다. 기존 방법으로는 6시간 안에 전류밀도가 63%, 포름산 선택도가 24% 감소한다.

민 본부장은 “인공광합성 기술의 가장 어려운 숙제인 촉매 안정성 문제를 해결하기 위한 돌파구를 마련했다는 점에서 큰 파급력이 있다”고 연구의 의의를 설명했다.

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