[이뉴스투데이 수도권2취재본부 조석남 기자] 고려대학교(총장 김동원) 신소재공학부 남대현 교수, KU-KIST 융합대학원 백서인 교수 연구팀이 서울대학교 재료공학부 주영창 교수, 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀과 함께, 이산화탄소를 에탄올과 같은 고부가가치 물질로 환원시키는 전기화학 반응 과정에서 구리 합금 촉매의 표면 변화 메커니즘을 세계 최초로 규명했다.

연구에서 규명한 반응 중간체 흡착 특성과 금속 간 혼화성에 의해 결정되는 구리 이원계 합금 촉매의 재건 메커니즘 개념도 및 액상 투과전자현미경 분석을 통해 구리–은 합금 박막에서 전기화학 이산화탄소 환원 반응 중 발생하는 표면 나노입자의 형성과 성장 과정을 실시간으로 관찰한 결과 [사진=고려대학교]

이산화탄소를 전기를 이용해 유용한 화합물로 바꾸는 기술은 탄소 중립 시대의 핵심으로, 구리 촉매가 중심 역할을 한다. 특히, 다른 금속을 섞은 구리 합금 촉매는 생성물의 선택성을 높이는 데 효과적이다. 그러나 반응 중 촉매 표면 구조가 달라지는 재건현상이 발생하면 설계와 실제 구조 간 차이로 성능 예측이 어려워지며, 합금 촉매의 경우 변화가 더 복잡하게 일어나 그 원인 규명이 쉽지 않았다.


이러한 현상의 원인을 밝히기 위해 연구팀은 다양한 구리 합금 촉매를 설계하고, 고전류 조건에서 표면 구조의 변화를 정밀 분석했다. 그 결과, 구리–은 촉매에서는 표면에 구리 나노입자가 새롭게 형성된 반면, 구리–아연 촉매는 처음 설계된 구조를 유지하는 차이를 보였다. 두 금속 모두 일산화탄소 생성 능력은 비슷했지만, 표면 구조 변화 방식에 따라 최종 생성물은 달랐다. 구리–은 촉매에서는 에탄올이 주로 생성됐고, 구리–아연 촉매에서는 일산화탄소가 더 많이 만들어졌다.

구리-은, 구리-아연 합금 촉매의 이산화탄소 환원 반응 전·후 표면 주사전자현미경 이미지 및 해당 촉매의 합금 조성비에 따른 이산화탄소 환원 촉매 성능 [사진=고려대학교]