KAIST(총장 강성모)는 우성일 생명화학공학과 교수와 김형준 EEWS 대학원 교수 공동 연구팀이 이산화탄소를 높은 효율로 환원시킬 수 있고 내구성이 강한 육각형 아연 촉매를 개발했다고 26일 밝혔다.

이산화탄소를 자원으로 사용해 연료를 만든다면 기후 문제는 물론 에너지 고갈 문제를 해결할 수 있는 혁신적 기술이 될 것이다.

하지만 이러한 시스템 개발을 위해서는 열역학적으로 안정적인 이산화탄소를 성공적으로 변환시킬 수 있는 촉매를 개발하는 것이 중요하다.

연구팀은 문제 해결을 위해 전기화학적 시스템과 아연을 이용했다. 전기화학적 시스템은 여러 이산화탄소 변환 시스템 중 태양에너지처럼 지속가능한 전기에너지와 결합이 가능하다는 점에서 각광받고 있다.

아연은 이산화탄소 변환 촉매 중 일산화탄소를 선택적으로 생성할 수 있다는 장점과 같은 특성을 갖는 금, 은에 비해 2만분의 1에 불과한 저렴한 가격 경쟁력을 갖고 있다. 반면 부족한 성능으로 인해 많은 주목을 받지 못했던게 사실이다.

연구팀은 실험 결과 아연 촉매의 육각형이라는 구조적 특성이 효율적인 이산화탄소 변환을 가능하게 하고, 선택적으로 일산화탄소와 수소를 발생시키는 것을 확인했다. 특히 육각형 아연 촉매에 가하는 전압에 따라 일산화탄소와 수소 생성 비율이 달라진다는 것을 발견했다.

일산화탄소와 수소는 합성가스로서 탄화수소 연료를 생산할 수 있는 유용한 원료다.

또한 연구팀은 일산화탄소와 수소를 각각 잘 생성하는 아연의 두 결정면을 밀도범함수이론을 통해 이론적으로 밝혔다. 향후 이 두 면의 비율을 조절함으로써 원하는 공정이나 생성물의 비율을 얻을 수 있음을 규명한 것이다.

연구팀에 따르면 개발된 육각형 아연 촉매는 이산화탄소 변환의 반응 선택성을 의미하는 페러데이 효율(Faradaic efficiency)에서 95%를 기록했다. 특히 이 성능이 30시간 이상 지속돼 기존 귀금속을 포함한 모든 일산화탄소 생성 촉매 중 가장 긴 시간 동안 안정성을 보였다.

이번 연구결과는 국제학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'의 지난달 28일자 온라인판에 게재됐다.

우성일 교수는 "생산한 연료들을 연소하면 다시 이산화탄소와 물이 발생하므로 이것이야말로 지속가능한 에너지 생산시스템이 될 것이다"라고 말했다.