[사이테크 플러스] "CO₂로 에틸렌 만든다…고선택성·고효율 촉매개발 토대 마련"
KIST·숙명여대 연구팀 "CO₂→에틸렌 반응 중간체·전환경로 규명…선택도 향상 기대"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 구리(Cu) 촉매를 이용해 온실가스인 이산화탄소(CO₂)를 화학산업 원료인 에틸렌(C₂H₄)으로 전환할 때 일어나는 화학반응 경로를 규명하고 촉매의 에틸렌 선택도와 효율을 높일 수 있는 가능성을 제시했다.
한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 황윤정 박사팀은 8일 숙명여대 화공생명공학부 김우열 교수팀과 함께 이산화탄소가 환원돼 에틸렌이 합성되는 과정에서 구리 기반 촉매의 표면에 생성되는 반응 중간체를 관찰하고 실시간으로 거동을 분석하는 데 성공했다고 밝혔다.
연구팀은 또 이를 토대로 에틸렌 생성 성능이 우수한 새로운 촉매 소재인 구리수산화물[Cu(OH)₂] 나노선(Nanowire)을 제작, 이산화탄소를 이용한 반응에서 에틸렌 생성 비율을 높이는 것이 가능하다는 것을 입증했다.
이산화탄소는 대표적인 지구온난화 가스로 배출량을 줄이는 것뿐만 아니라 배출된 이산화탄소를 포집해 처리하는 것도 중요한 과제가 되고 있다. 이산화탄소 처리 방안으로는 포집된 이산화탄소를 해저지층에 매립거나 전기화학적으로 에틸렌 같은 화학산업 원료를 생산하는 방안 등이 연구되고 있다.
전기화학 반응을 이용해 이산화탄소에서 에틸렌을 생산하는 방법이 큰 기대를 모으고 있으나 이 화학 반응 경로가 정확히 밝혀지지 않아 고성능 촉매를 개발하는 데 걸림돌이 돼 왔다.
이산화탄소의 에틸렌 변환 반응에서는 에틸렌뿐 아니라 메탄(CH₄), 에탄올(C₂H₃OH), 수소(H₂) 등 10가지가 넘는 물질이 함께 만들어지는 문제가 있다. 이를 해결할 수 있는 고선택성 촉매를 개발하려면 이산화탄소→에틸렌 전환 반응의 경로 규명이 필요하다.
연구팀은 적외선분광학 분석법을 적용해 나노구리입자 촉매 표면에서 일어나는 이산화탄소 전환 반응에서 일산화탄소(CO) 외에 에틸렌이 되는 과정의 중간체(OCCO)와 메탄을 생성하는 중간체(CHO)를 관찰하고 이들의 거동을 분석했다.
그 결과 일산화탄소와 에틸렌 중간체(OCCO)는 같은 시간대에 빠르게 생성되는 반면 메탄 중간체(CHO)는 상대적으로 느리게 생성되는 것으로 나타났으며, 이 반응 경로를 제어하면 촉매 표면에서 화합물 생성 선택도를 더욱 높일 수 있다는 가능성을 확인했다고 연구팀은 설명했다.
이어 탄소-탄소 결합을 촉진해 에틸렌 생성에 뛰어난 성능을 보이는 새로운 촉매 소재로 구리수산화물[Cu(OH)₂] 나노와이어를 제작, 실제 화학반응에서 생성되는 물질 중 에틸렌의 비율을 획기적으로 높일 수 있음을 입증했다.
연구팀은 구리수산화물 기반 촉매 표면에는 일산화탄소(CO)가 흡착할 수 있는 다양한 자리가 존재하며, 이 중 특정 자리에 흡착된 일산화탄소는 에틸렌 중간체 같은 탄소-탄소 결합 중간체를 빠르게 생성하는 것으로 확인됐다고 밝혔다.
황윤정 박사는 "이 연구가 기후변화에 대응하는 신재생에너지 기반 차세대 탄소자원화 기술 성장에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.
이 연구 결과는 에너지·환경 분야 국제학술지 '에너지 & 환경 과학'(Energy & Environmental Science) 최신호에 게재됐다.
scitech@yna.co.kr
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