공장과 발전소에서 배출되는 이산화탄소(CO₂)를 유용한 화학 원료로 바꾸는 기술은 탄소 중립의 핵심으로 꼽힌다. 하지만 촉매 성능이 빠르게 떨어지는 문제가 상용화를 가로막아 왔다. KAIST 연구진이 작동하는 동안 스스로 성능을 회복하는 ‘자가재생’ 촉매를 개발해 해결의 실마리를 제시했다.

KAIST(총장 이광형) 생명화학공학과 정동영 교수 연구팀은 이산화탄소(CO₂)를 유용한 물질로 전환하는 전기화학 반응에서 촉매 성능이 저하되는 근본 원인을 규명하고, 촉매가 반응 중 스스로 활성 상태를 유지하도록 하는 새로운 설계 전략을 개발했다고 11일 밝혔다.

특히 연구팀은 이산화탄소 전환 반응에서 널리 사용되는 구리(Cu) 촉매에 주목했다. 구리 촉매는 반응 과정에서 단순히 소모되는 것이 아니라, 표면 구조가 지속적으로 변화하는 ‘재구성(reconstruction)’ 과정을 거치는 것으로 알려져 있다. 연구 결과, 이러한 재구성 방식에 따라 촉매의 성능과 수명이 크게 달라지는 것으로 나타났다.

연구팀은 구리 촉매의 재구성 과정이 크게 두 가지 방식으로 나타난다는 사실을 확인했다. 첫 번째는 촉매 표면에 산화물이 형성됐다가 다시 환원되는 과정을 반복하는 방식으로, 일시적으로 활성이 증가하지만 장기적으로는 촉매 성능 저하로 이어진다.

반면 두 번째 방식은 촉매 금속이 전해질 속으로 일부 녹아 나왔다가 다시 촉매 표면에 붙는 과정을 반복하는 형태다. 이 과정에서 촉매 표면에 새로운 반응 자리인 활성점(active site) 이 계속 만들어지는 것이 확인됐다.

연구팀은 이러한 원리를 활용해 촉매가 반응 중에도 스스로 활성 상태를 유지하도록 하는 방법을 제시했다. 전해질에 극미량의 구리 이온을 넣어주면 촉매 표면에서 금속이 녹았다가 다시 붙는 과정이 균형을 이루며 반복되고, 그 과정에서 새로운 활성점이 지속적으로 형성된다. 이를 통해 촉매가 오랜 시간 안정적인 성능을 유지할 수 있음을 입증했다.

특히 이번 기술은 별도의 복잡한 공정이나 높은 전압 조건 없이도 구현할 수 있어 에너지 소비를 크게 줄이면서, 에틸렌이나 에탄올과 같은 고부가가치 C₂화합물을 안정적으로 생산할 수 있는 가능성을 제시했다. C₂ 화합물은 탄소 원자 두 개로 이루어진 화합물로, 플라스틱이나 연료 등의 원료로 활용되는 산업적으로 중요한 화학 물질을 의미한다.

이번 연구는 촉매를 단순히 잘 만드는 것을 넘어, 반응이 진행되는 동안에도 촉매가 스스로 좋은 상태를 유지하도록 하는 새로운 설계 개념을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 이 개념은 향후 이산화탄소 전환 기술뿐 아니라 다양한 전기화학 에너지 변환 기술로 확장될 가능성이 있다.

정동영 교수는 “이번 연구는 촉매 성능 저하를 불가피한 현상이 아니라 제어 가능한 과정으로 이해하고 접근한 결과”라며 “반응 중에도 촉매가 지속적으로 최적의 활성을 유지하도록 만드는 새로운 전략을 제시했다”고 말했다.

이번 연구는 KAIST 김한주 박사과정생과 안홍민 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 연구를 주도하였으며, 화학 분야 세계 최고 권위 학술지인 미국화학회지 (JACS, Journal of the American Chemical Society)에 2월 5일 온라인으로 게재되었다. 

서지영 기자 

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