KAIST 신소재공학과 전석우(왼쪽) 교수, 한가예(가운데) 박사과정, 오지훈 교수.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 전석우 교수와 오지훈 교수 연구팀이 이산화탄소 재활용 공정에 활용되는 값비싼 금 촉매를 효과적으로 줄일 수 있는 3차원 나노구조 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다.

연구팀은 두 가지 크기의 기공 네트워크를 지닌 계층 다공성 나노 구조를 이용해 이산화탄소에서 일산화탄소로의 전환율을 기존 나노 구조 촉매 대비 최대 3.96배 높일 수 있는 촉매 디자인을 제시했다.

최근 이산화탄소의 배출과 화석 연료 고갈이 심화됨에 따라 이산화탄소를 재활용해 유용한 화합물로 전기 화학적 전환하는 연구가 주목받고 있다. 이산화탄소 환원 반응은 유사한 산화환원 전위를 갖는 수소 생산 반응과 경쟁적으로 일어나는 문제점이 있다. 이때문에 원하는 화합물로 선택도를 높이고 활성 부위를 극대화해 높은 전환율을 얻기 위한 금속 나노 구조 촉매 개발이 활발히 진행 중이다.

이산화탄소에서 일산화탄소로의 전환 반응 촉매 중 금은 가장 우수한 성능을 보이지만 값이 매우 비싸 실제 적용을 위해서는 나노 구조를 형성하는 등의 방법을 통해 적은 양의 금을 활용하는 것이 이상적이다.

하지만 기존 연구에서 보고된 나노 구조는 복잡하게 엉킨 촉매 구조로 인해 수계 반응을 통해 생성되는 일산화탄소 기포가 반응 도중 쉽게 구조를 막아 활성 부위를 차단하고, 전해질을 통한 반응물의 이동도 어렵게 해 촉매의 생산성을 떨어뜨린다.

연구팀은 문제 해결을 위해 정렬된 3차원 나노 구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝과 전기 도금 기술을 이용, 약 10nm(나노미터) 크기의 나노 기공과 200~300nm 크기의 매크로 기공이 주기적으로 연결된 채널을 포함하는 3차원 계층 다공성 금 나노 구조를 대면적으로 제작했다.

그 결과 계층 나노 구조 촉매는 나노 기공을 통해 높은 일산화탄소 생산 선택도를 달성함과 동시에 주기적으로 배열된 매크로 기공 채널을 통해 효율적인 물질이동을 유도함, 높은 질량당 전환율을 달성했다.

전석우 교수는 “이 기술은 이산화탄소 환원 촉매 연구 뿐 아니라 유사 전기화학 분야에서 발생하는 물질이동 문제를 해결하고 효율적인 촉매활용을 위한 폭넓은 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘미국 국립과학원회보(PNAS)’ 3월 4일자 온라인판에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com