화학과 김영독 교수팀, 이산화탄소를 친환경 원료로 바꾸는 ‘고효율 촉매’ 개발... 산업화 기틀 마련

- 간단한 합성 공정으로 결정결함 극대화한 비스무트(Bi) 촉매 구현, 탄소중립 실현 앞당겨

- 산업 전류 조건에서 포름산 전환율 99% 달성

화학과 김영독 교수 연구팀은 결정결함이 풍부한 비스무트(Bi) 전기촉매를 매우 간단한 공정으로 합성하는 새로운 전략을 개발했다. 이번 연구를 통해 연구팀은 실제 산업 현장에서 사용되는 높은 전류 밀도 조건에서도 이산화탄소($CO_2$)를 고부가가치 화합물인 포름산(HCOOH)으로 정밀하게 전환하는 데 성공했다.

이번 연구는 중국 정저우대학교의 Wenlei Zhang 교수, Zhikun Peng 교수 연구팀과의 국제 공동 연구로 진행되었으며, 기후 위기의 주범인 이산화탄소를 유용한 자원으로 되돌리는 ‘탄소 자원화’ 및 ‘탄소중립’ 기술 발전에 새로운 해법을 제시한 것으로 평가받는다.

연구팀은 ‘결정립계(Grain Boundary) 공학’이라는 독창적인 기법을 적용했다. 이는 금속 내부의 결정들이 만나는 경계면(결함)을 의도적으로 많이 만들어 촉매의 활성을 높이는 기술이다. 연구팀은 표면에 미세한 주름 구조를 가진 특수 전구체(Bi24O31Cl10)를 사용해, 촉매 반응이 일어나는 도중에 스스로 구조가 재구성되도록 유도했다. 그 결과, 이산화탄소를 포름산으로 바꾸는 능력이 탁월하고 표면적이 넓은 ‘주름형 비스무트 나노시트’ 구조를 완성했다.

실험 결과, 개발된 촉매는 일반적인 실험실 조건에서 94.0%의 높은 효율을 보였을 뿐만 아니라, 실제 산업 현장에 적용 가능한 ‘플로우 셀(Flow-cell)’ 시스템에서도 독보적인 성능을 입증했다. 특히 600 mA/cm2의 고전류 밀도에서 최대 99.1%라는 놀라운 포름산 전환 효율을 기록했으며, 10시간 이상의 장기 구동에도 성능 저하 없이 안정적인 모습을 보였다.

연구팀은 첨단 실시간 분석법(in-situ ATR-SEIRAS)과 컴퓨터 시뮬레이션(밀도범함수이론, DFT)을 통해 이 촉매가 왜 뛰어난 성능을 보이는지도 과학적으로 증명했다. 촉매 표면의 결정 결함이 이산화탄소를 더 강하게 붙잡아 활성화하는 반면, 방해 요소인 수소 발생 반응은 효과적으로 억제한다는 메커니즘을 밝혀낸 것이다.

김영독 교수는 “이번 연구의 핵심은 복잡하고 값비싼 후처리 과정 없이, 간단한 합성 조건 조절만으로도 산업적 가치가 높은 고성능 촉매를 만들 수 있다는 점”이라며 “앞으로 대규모 이산화탄소 자원화 설비나 액체 연료 생산 시스템 등에 폭넓게 활용되어 기후 변화 대응에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 한국연구재단과 중국 국가과학기술위원회의 지원으로 수행되었으며, 화학공학 분야의 세계적인 권위지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 13.2)’에 12월 27일 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Operando-reconstructed wrinkled Bi nanosheets with enriched grain boundaries for highly efficient CO2 electroreduction to formate at industrial-level current densities

※ 학술지: Chemical Engineering Journal

※ 논문링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.172328