화학연 등 국내연구팀, 촉매 역할 금속 원자 단위로 정밀 설계
이산화탄소(CO₂)를 산업 원료인 일산화탄소(CO)로 전환하는 기술은 합성연료·화학제품 생산의 핵심 공정으로 주목받고 있다. CO₂는 화학적으로 매우 안정적 분자이기 때문에 500~600℃ 이상의 고온이 필요하다. 반응 과정 중 촉매 성능이 쉽게 떨어지는 문제가 있었다.
한국화학연구원(원장 이영국) 김현탁 박사팀은 경북대(총장 허영우) 김영진 교수 연구팀, UNIST(총장 박종래) 이근식 교수, 충남대(총장 김정겸) 김상준 교수와 함께 금속을 ‘덩어리’가 아닌 ‘원자 단위’로 정밀 설계한 이중 원자 촉매를 개발했다. 고온 열화학 반응에서도 안정적으로 CO₂를 CO로 전환하는 데 성공했다.
기존 CO₂ 전환 촉매는 니켈(Ni), 구리(Cu), 백금(Pt) 등 금속 나노입자를 주로 사용한다. 금속이 많아질수록 비용도 많이 든다. 고온 장시간 운전에서 소결(금속 입자 뭉침) 현상으로 활성점이 줄어 성능이 떨어지기 쉽다.
이산화탄소를 일산화탄소를 전환하는 금속 촉매가 개발됐다. 경제, 안전성은 물론 대량생산 가능성도 제시했다. [사진=화학연]
보완책으로 금속을 탄소 기반 틀에 단일 원자(SAC)로 고정하는 연구도 확대됐다. 열적·구조적 스트레스 조건에서 금속 원자가 이동, 응집하거나(결과적으로 소결) 성능이 흔들리는 문제가 남아 있었다.
연구팀은 촉매에 금속을 원자 단위로 정밀 분산해 사용량을 극소화했다. 같은 성능을 내면서도 금속 투입량이 매우 적어 훨씬 경제적이다. 성능 저하 문제는 질소가 도핑된 탄소 구조 안에 두 금속 원자(Cu–Ni)를 원자쌍 형태(N₂Cu–N₂–NiN₂)로 고정하는 합성법으로 해결했다.
이 구조는 CO₂를 빠르게 활성화하고 생성된 CO는 바로 분리시킨다. 불필요한 메탄(CH₄) 생성 반응은 억제한다. 단단히 고정된 원자는 고온에서도 위치가 뒤바뀌지 않아 반응 성능을 오래 유지할 수 있다.
합성 공정도 진공 증착(ALD/CVD) 같은 고가 장비 의존도를 낮췄다. 용액 기반 혼합-건조-열처리로 구현되는 합성 전략으로 단순화했다. 동일 조건에서 원료 투입만 늘려도 13~15g 규모의 이중 원자 촉매 (CuNi-DAC)를 반복 제조할 수 있어 대량 생산 가능성을 보여주었다.
실험 결과 개발 촉매는 300~600℃ 범위에서 메탄(CH4) 같은 불순물 없이 CO가 거의 100% 선택적으로 생성됐다. 또한 온도를 올렸다 내리는 가혹 조건 등에서 100시간 이상 운전 후에도 성능을 유지했다.
CO₂를 CO로 바꾸는 RWGS 반응은 열역학적(평형) 한계가 있어 600℃에서도 전환율이 무한정 올라가지 않는다. 이번 촉매는 실험 조건에서 이론적 한계(66%)에 근접한 64%의 전환율을 보였다.
김현탁 박사는 “Cu-Ni 이중 원자 구조를 정밀 설계해 고온 열화학 조건에서도 CO₂를 선택적으로 CO로 전환하면서 반복 운전에서도 원자 분산 구조를 유지함을 입증했다”고 설명했다.
이영국 화학연 원장은 “원자 촉매의 안정성 한계 극복과 대량 합성 가능성을 보여줘 국내 탄소중립 기술 경쟁력을 높이는데 이바지할 것으로 기대한다”고 전했다.
이번 성과는 국제학술지 ‘Nature Communications’에 실렸다. 김경민 화학연·문진홍 UNIST 학생연구원이 1저자로 참여했다. 김현탁 화학연 박사, 김영진 경북대 교수, 이근식 UNIST 교수, 김상준 충남대 교수가 교신저자로 이름을 올렸다.