이산화탄소 – 일산화탄소 전환 및 생활용품 활용 예시./한국화학연구원
국내 연구진이 이산화탄소를 산업 원료인 일산화탄소로 바꾸는 새 촉매를 개발했다. 높은 온도에서도 성능이 잘 떨어지지 않는 점이 특징이다.
김현탁 한국화학연구원(화학연) 선임연구원 연구진은 경북대, 유니트스, 충남대 연구진과 함께 금속을 원자 단위로 정밀하게 배치한 ‘이중 원자 촉매’를 개발했다고 8일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 지난해 11월 게재됐다.
이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 기술은 합성연료와 화학제품 생산의 출발점이 되는 공정으로 꼽힌다. 다만 이산화탄소는 화학적으로 안정적이어서 보통 500~600도 이상의 고온이 필요하고, 이 과정에서 촉매 성능이 쉽게 저하되는 문제가 있었다.
기존에는 니켈이나 구리 같은 금속 나노입자 촉매를 주로 사용했다. 하지만 고온에서 오래 반응하면 금속 입자들이 서로 뭉치는 소결 현상이 발생해 성능이 떨어지기 쉬웠다. 이를 보완하기 위해 금속을 하나씩 고정하는 단일 원자 촉매 연구도 이어졌지만, 이 역시 고온에서는 원자가 이동하거나 뭉치는 한계가 있었다.
연구진은 구리와 니켈 원자 2개를 한 쌍으로 묶어 질소가 포함된 탄소 구조 안에 고정했다. 이 구조는 이산화탄소 반응을 촉진하면서도, 원치 않는 부산물인 메탄 생성을 억제하도록 설계됐다.
실험 결과, 새 촉매는 300~600도 구간에서 메탄 같은 불순물 없이 일산화탄소를 거의 100% 선택적으로 생성했다. 온도를 반복해 올리고 내리는 조건에서도 100시간 이상 성능을 유지했다. 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 ‘역 수성가스전환(RWGS)’ 반응은 이론적으로 전환율 한계가 있는데, 이번 촉매는 실험 조건에서 이론치 66%에 가까운 64% 전환율을 보였다.
이영국 화학연 원장은 “원자 촉매의 안정성 한계 극복과 대량 합성 가능성을 보여줘, 국내 탄소중립 기술 경쟁력 제고에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
참고 자료
Nature Communications(2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-66608-9