이산화탄소를 친환경 연료로 바꾸는 고효율 ‘나노 결함 촉매’ 개발

- 성균관대 화학과 김영독 교수 연구팀, 세륨 유도로 이산화탄소 전환 성능 극대화
- 산업 수준의 고전류밀도 조건에서 115시간 동안 안정적인 가동 확인

본교 화학과 김영독 교수 연구팀이 희토류 금속인 세륨(Ce)을 활용해 촉매 구조에 미세한 ‘나노 결함(산소 공공)’을 다량으로 만들어낸 새로운 비스무트 기반 나노시트 촉매를 개발했다. 연구팀은 이 촉매를 통해 온실가스의 주범인 이산화탄소(CO2)를 산업적 활용도가 높은 고부가가치 화학물질인 ‘포름산염(Formate)’으로 높은 효율로 전환하는 데 성공했다.

최근 지구온난화 문제를 해결하기 위해 공기 중의 이산화탄소를 포집한 뒤, 신재생에너지 전기를 이용해 유용한 화학 물질로 바꾸는 ‘이산화탄소 전기환원 기술’이 전 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 다양한 생성물 중에서도 포름산염은 에너지를 많이 저장할 수 있고 친환경 수소 연료전지나 의약품, 화학 공정 등 여러 산업에 다양하게 쓰일 수 있어 매우 매력적인 물질로 꼽힌다. 그러나 기존 촉매들은 반응 속도가 다소 느리고, 생성된 물질이 촉매 표면에서 잘 떨어지지 않아 공장에서 대량 생산할 때 쓰는 높은 전류 조건에서는 효율이 급격히 떨어지는 한계가 있었다.

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

이렇게 만들어진 나노 결함과 세륨 성분의 시너지 효과는 반응이 일어날 때 필수 중간 물질이 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 거두었다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 촉매는 일반적인 실험실 규모(H형 셀) 환경에서 96.2%의 높은 포름산염 패러데이 효율을 보여주었다. 특히 산업적으로 요구되는 높은 전류밀도 조건을 구현할 수 있는 흐름 전지에서도 96.8%의 뛰어난 패러데이 효율을 나타냈으며, 높은 전류 밀도 조건에서도 115시간 동안 큰 성능 저하 없이 85% 이상의 높은 효율을 유지해 뛰어난 장기 가동 안정성까지 함께 입증했다.

  * 패러데이 효율: 투입된 전하 중 생성물에 사용된 비율

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

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구실지원사업(BRL), 교육부 이공분야 대학중점연구소지원사업 등의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 화학공학 분야의 세계적인 학술지인 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 지난 10일 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Ce-Induced Defect-Rich Bi2O2CO3 for Efficient CO2 Electroreduction to Formate

※ 학술지: Chemical Engineering Journal

※ 논문링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.179269

출처 : 에스프레스(S-PRESS)(https://www.spressnews.com)