이산화탄소 재자원화 효율 3배 높인 실용촉매 개발

 

- 미래 수송용 연료로의 전환 효율 높여 에너지·화학산업 New 패러다임 제시

- GIST 이재영 교수팀(환경), 저명 학술지 ‘앙게반테 케미’에 논문 게재

 

 

(그림 1) 연구팀이 전기화학적 증착법과 염소 이온 도입을 통해 만든, 구리-산화구리 촉매로 구성된 전극의 모습(오른쪽). 왼쪽 배경에 있는 Zero-gap 전해셀에 이 전극을 배치하여 조립한 뒤 전기를 인가해주면 이산화탄소 전환반응이 발생하여 에탄올, 프로판올, 부탄을 얻을 수 있다.

 

 

□ GIST(광주과학기술원) 연구진이 이산화탄소를 고부가가치의 유기화합물로 전환하기 위한 전환 효율을 3배 이상 높일 수 있는 구리-산화구리 실용촉매를 개발했다. 이번 성과는 이산화탄소를 미래 수송용 연료로 재활용할 수 있는 새로운 가능성을 연 것으로 평가된다.

 

□ 산업 공정에서 배출되는 이산화탄소를 처리하기 위해 이산화탄소를 포집‧저장하는 CCS* 기술이 연구되고 있지만, 이 기술은 저장된 이산화탄소가 완전히 분해되거나 제거되지 않는 한계를 지닌다. 이 때문에 최근 이산화탄소를 폐기물이 아닌 폐자원의 관점에서 재활용하기 위한 기술인 CCU*(이산화탄소 포집 및 재활용)가 주목받고 있다.

 

  * CCS(Carbon Capture and Sequestration) : 발전소‧제철소 등에서 대량으로 배출되는 이산화탄소를 포집해 폐기물의 관점에서 지하나 해저에 매립‧저장 하는 기술

  * CCU(Carbon Capture and Utilization) : 이산화탄소를 포집‧저장하는 것이 아니라, 고부가가치의 물질로 전환시켜 재활용하는 기술. CCS의 문제점 및 한계점을 극복할 수 있을 것으로 기대된다.

 

  ∘ CCU 기술에서 이산화탄소를 전기화학적 전환을 통해 유기화합물로 전환하는 경우 가장 시급히 극복해야 할 과제는 패러데이 효율*을 높이고 원하는 유기화합물을 얻어내도록 반응 선택성을 높이는 것이다.

 

  * 패러데이 효율 : 이산화탄소를 유기화합물로 전환하기 위해 사용한 전기에너지(전하량) 중 실제 유기화합물 생성을 위해 사용된 에너지의 비율(%). 즉, 패러데이 효율이 11.8%라면 투입된 전기에너지의 11.8%가 탄소 수가 3개(C3), 4개(C4)인 고차 유기화합물 생성에 소모되었다는 뜻

 

 

 

(그림 2) 이산화탄소의 전기화학적 전환 시스템 개념도: 태양광, 태양열, 폐열 등과 같은 친환경 신재생에너지원으로부터 가용에너지를 확보하여 이산화탄소를 고부가가치의 화합물로 전환시키는 과정. 본 연구진에서 개발한 구리․산화구리 이상(二相)전극 촉매를 바탕으로 지속적인 연구가 이루어진다면, 이산화탄소로부터 미래 에너지 저장 및 수송 연료용 알코올(에탄올, 프로판올, 부탄올) 화합물을 만들어내는 하나의 신화학산업을 구축할 수 있을 것으로 생각된다. 

 

 

 

□ 연구팀은 전기화학적 증착법*과 염소 이온 도입을 통해 구리와 산화구리로 구성된 전극 촉매를 제조한 뒤, 이를 활용해 수용액상에서 이산화탄소의 전기화학적 전환을 시도했다.

 

  * 전기화학적 도금증착법 : 금속 이온이 함유된 수용액 속 전도성 재료의 표면에 전류를 흘려주면 금속의 환원(석출)반응으로 도금이 일어나게 되는데, 이를 이용해 전극을 제조하는 방법을 말한다.

 

  ∘ 실험 결과, 구리․산화구리 전극 촉매는 66% 패러데이 효율을 나타냈으며, 특히 이산화탄소(탄소 수 1개)를 프로판올(C3H7OH)과 같은 탄소 수* 3개 이상인 유기화합물로 전환시키는 패러데이 효율은 11.8%을 기록했다. 이는 탄소 수 3개인 고차 유기화합물로 전환하는 기존 효율보다 약 3배 정도 개선된 것이다.

 

  * 탄소 수가 많은 고(高)탄소 생성물일수록 석유화학계의 원료나 수송용 연료로 활용할 수 있다.

 

  ∘ 연구팀은 또 이산화탄소 직접 전환을 통해 탄소 수 4개인 부탄(C4H10)을 생산해내는 데 세계 최초로 성공했다.

 

  ∘ 효율 개선 등 위와 같은 성과는 염소 이온 도입으로 전극 표면에서 산화구리의 보존율이 상승하고, 그에 따라 반응 매개체가 안정화되면서 나타난 현상이다.

 

 

     

 

(그림 3) 왼쪽 그림의 붉은색은 염소 이온이 도입되지 않은 구리·산화구리 이상(二相) 전극으로부터 생성된 이산화탄소 전환 유기화합물(C1~C2). 녹색은 염소 이온이 도입된 구리·산화구리 이상(二相) 전극으로부터 생성된 이산화탄소 전환 유기화합물(C1~C4). 특히 C3-C4의 고차 유기화합물이 전혀 생성되지 않았다가 눈에 띌 만큼 생성된 점이 가장 큰 차이점이다. (맨 오른쪽부터) 이승화 박사과정생, 이재영 교수

 

 

□ 이재영 교수는 “이산화탄소를 탄소 수 3개 이상의 고차 유기화합물로 전환하기 위한 촉매를 지속적으로 개발하면 이산화탄소로 인한 환경 문제와 자원 고갈 문제를 동시에 해결하는 데 기여할 수 있다”고 말했다.    

 

□ GIST 환경공학부 이재영 교수(교신저자·에틀(Ertl) 촉매 연구센터)가 주도하고 이승화 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 교육부 산하 한국연구재단(NRF)이 지원하는 일반연구자지원사업의 지원으로 수행되었고, 화학․융합 분야의 세계적인 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 10월 16일자 온라인판에 게재되었다. (논문명 : Electrocatalytic Production of C3-C4 Compounds by Conversion of CO2 on a Chloride-Induced Bi-Phasic Cu2O-Cu Catalyst)      <끝>

 

 

 

대외협력팀