장종현·박현서 KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권) 연구팀은 금 나노입자 표면을 고분자로 '코팅'했을 때 촉매 효율이 높아진다는 사실을 밝히고, 코팅된 금 나노입자를 간단하게 만드는 기술을 개발했다.
 
금을 작게 쪼갠 금 나노입자는 이산화탄소(CO₂)를 유용한 물질로 바꿀 때 사용되는 전기분해 '촉매' 중 하나다. 금 나노입자를 만드는 과정에서 유기물 코팅이 생길 수 있는데, 촉매에 안 좋은 영향을 줄 수 있어 주로 씻어낸 후에 사용된다.

그러나 연구팀은 코팅을 그대로 둔 채 실험을 시도했고 예상 밖의 결과가 나왔다. 코팅된 금 촉매가 기존보다 이산화탄소를 30% 더 잘 흡착했고, 내구성은 20% 더 높았다.
 
장종현 박사는 "이 기술은 온실가스 저감과 이산화탄소 전환 실용화에 활용될 것으로 기대된다"고 밝혔다.

전기분해 시스템에 이산화탄소와 물을 넣고 전기를 가하면 화학산업에서 기초 원료로 활용되는 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)가 혼합된 합성가스가 나온다.
 
금 나노입자를 만드는 방법은 크게 두 가지다. 주로 비커에 금과 화합물을 넣어 반응시키는 화학적 방법이 쓰인다. 이 방법은 과정이 복잡하고 씻어야 할 화합물이 나오는 단점이 있다.

연구팀은 최신 기술인 '액체 스퍼터링 공정법'을 택했다. 이 공정법은 가스를 금속판에 충돌시켜 금속 원자를 떼어내고 이 원자를 액체에 모아 작은 입자로 만드는 기법이다.
 
장 박사는 "이번 실험에서는 아르곤(Ar) 기체로 금덩어리를 강하게 쏴서 금 입자들이 탄소고분자 용액 안으로 떨어지게 했다. 떨어진 금 입자들은 용액 안에 있는 탄소지지체 표면에 박혀 금 나노입자가 됐고, 여기에 덤으로 폴리에틸렌글라이콜(PEG)이 금 나노입자 위에 코팅됐다"고 설명했다.

탄소지지체 크기는 수십 나노미터(nm)이며, 금 입자는 10nm 정도다. 장 박사는 이 금 나노입자의 구조를 '빵(탄소지지체) 위에 건포도(금 입자)'가 박혀 있는 모양에 비유했다.
 

장 박사는 "우리나라 재생에너지 발전 비중이 2030년까지 20%로 늘어나게 되면, 화력발전소 대신 재생에너지에서 나오는 남는 전기를 전기분해에 쓸 수 있다"며 "이 연구는 재생에너지 확대와 시기적으로 잘 맞아 떨어진다"고 평가했다.

장 박사는 2013년부터 한국이산화탄소포집및처리연구개발센터(KCRC)의 KOREA CCS 2020 사업에 참여해 전기분해 기술을 이용한 이산화탄소 전환 실용성 향상 연구를 했고 이번 성과는 그중 하나다.

연구팀은 앞으로 이산화탄소 전환 실용화 연계 기술을 연구할 계획이다. 박 박사는 "전기분해를 이용한 이산화탄소 전환 연구는 아직 초기 단계로 실용화까지 갈 길이 멀어 조바심도 난다"며 "다음 세대가 살아갈 친환경 세상을 만드는 과정에 우리 기술이 도움이 되길 바란다"고 말했다.

이번 연구는 촉매 분야 학술지 'Applied Catalysis B: Environmental'에 게재됐다.