카이스트, 상온에서 이산화탄소 실시간 분해하다

카이스트 박정영 교수·GIST 문봉진 교수 공동연구팀, 길이 100억 분의 1미터의 초미세 영역에서 관찰된 온실가스의 화학반응 결과를 포착해 이산화탄소를 보다 효과적으로 분해할 초미세 계단형 구리 촉매 표면 관찰 성공

[에너지경제신문 송기우 에디터] 기후변화를 포함한 환경 및 에너지 문제에 직접 맞닿아 있는 온실가스 전환 기술은 주로 G7 국가를 비롯한 OECD 회원국들을 중심으로 최근 많은 논의가 이뤄지고 있으며, 대한민국 역시 2050년까지 탄소중립 글로벌 스탠다드 달성을 위해 산·학·연 및 민·관 협력 연구를 활발히 촉진하고 있다. 대기 중의 온실가스를 제거함과 동시에, 미래 청정 연료로 주목받는 메탄올 합성에 필요한 이산화탄소 분해 반응은 탄소중립 달성을 위한 산업계 패러다임 전환 대응에 필요한 핵심 기술이지만, 이산화탄소 분자가 화학적으로 매우 안정된 탓에 공업적으로 유용한 화학 물질로의 전환은 여전히 난제로 여겨진다.

카이스트(총장 이광형)는 화학과 박정영 교수 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 물리·광과학과 문봉진 교수 연구팀과 공동연구를 통해 초미세 계단형 구리(Cu) 촉매 표면이 이산화탄소(CO2) 분자를 보다 효과적으로 분해할 수 있음을 입증했다고 26일 밝혔다.

포집된 온실가스의 전환은 일반적으로 고온·고압의 촉매 화학반응 환경에서 이뤄지고 있다. 보통 구리 기반 촉매물질을 이용하여 이산화탄소 분자가 일산화탄소(CO) 및 산소 원자(O)로 분해할 때 수십 기압에 이르는 고압 반응환경이 요구된다. 따라서, 기존의 촉매 물질을 개선하고 최적의 이산화탄소 전환 반응을 유도함으로써 온실가스의 전환 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 촉매의 개발이 필요한 실정이다.

상압 전자터널링 현미경(AP-STM) 기술을 활용해 직접 관찰된 연구팀의 이번 연구 결과는, 머리카락 두께의 10만 분의 1 크기의 계단형 표면 구조가 온실가스의 분해 반응 향상에 크게 기여한다는 시각적 증거를 처음으로 제시했다. 연구진은 그 크기가 수 옹스트롬(Å·100억 분의 1 미터)에 불과한 이산화탄소 분자는 촉매 물질의 표면 구조에 따라서 반응 활성도가 달라질 수 있다는 점에 착안, 머리카락 두께의 10만 분의 1에 불과한 계단형 초미세 구리 표면과 반응하는 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 포착했다.

초미세 계단형 구조를 갖는 구리 원자의 표면 배열은 평평한 구조를 갖는 넓은 구리 표면 구조에 비해 훨씬 낮은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 온실가스의 분해가 상대적으로 용이하다. 연구진은 관찰 결과, 구리 촉매 표면의 계단 위치와 충돌한 이산화탄소 분자가 상온에서도 쉽게 분해됐고, 더 나아가 분해된 일산화탄소 분자와 산소 원자가 표면의 구조변화를 동시에 유도함으로써 촉매반응 경로에 영향을 끼칠 수 있음을 발견했다.

 

카이스트 박정영 교수(사진)는 "이번 연구는 기존에 진행된 구리 표면에서의 이산화탄소 촉매 현상의 이해를 뛰어넘는 새로운 발견이며, 이를 통해 고효율 이산화탄소 촉매의 개발을 통해 인류의 가장 시급한 문제 중의 하나인 지구온난화 및 지속가능성 문제 해결에 기여할 것"이라고 밝혔다.

한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업, 과학기술분야 기초연구사업과 한-프랑스 협력기반조성사업(STAR) 등의 지원을 받은 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications IF 17.694) 온라인판에 6월 6일 자 게재됐다. (논문제목: Revealing CO2 dissociation pathways at vicinal copper (997) interfaces)

▲ 실시간 직접 관찰된 초미세 계단형 구리 촉매의 표면 구조상압 전자터널링 현미경을 이용해 실시간으로 직접 관찰한 초미세 계단형 구리 표면의 모습. 약 1.8 나노미터(nm·10억분의 1미터) 간격을 갖는 미세 계단형 구리면은 상압 환경에서 이산화탄소 분자들에 노출된 이후, 각 계단면이 불규칙하게 분해되는 경향을 보인다. 이는 이산화탄소 분자들이 초미세 계단 구조를 통해 일산화탄소 분자 및 산소 원자로 분해되면서 구리 촉매의 표면이 재구조화되는데 기인한다.

▲ 방사광가속기 시설을 활용한 표면 구조 재구조화 현상의 규명이산화탄소 분자의 분해 결과 생성된 일산화탄소 분자는 초미세 계단형 구리 표면 구조와 강하게 반응하고, 직접 관찰된 바와 같이 표면 구조의 재구조화 현상을 유도한다. 방사광가속기 기반의 상압 환경 X-선 광전자분광(AP-XPS) 기법을 통해 분석된 화학 결합 에너지 변화 결과는 일산화탄소 가스 반응환경에서 주입된 가스의 압력과 노출 시간에 따라 달라짐을 알 수 있다. (자료=카이스트)