KAIST(총장 신성철)는 강정구 신소재공학과 교수팀이 구리 입자 내 원자 틈을 제어하는 기술로 이산화탄소를 에틸렌 등 고부가 연료로 변환할 수 있는 전기화학촉매 소재기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

연구결과는 기존 촉매소재 설계에서 제시되지 않은 '원자 틈'을 처음으로 촉매설계의 주요인자로 적용한 것이다. 이산화탄소로부터 에틸렌 생성비율을 최고 80%까지 높일 수 있다. 

이산화탄소 변환 기술은 전기화학적 촉매반응을 활용해 이산화탄소를 산업에 유용한 연료나 화합물로 생산하는 기술이다. 이산화탄소 전환을 위해 다양한 전이금속 기반의 전기화학 촉매가 개발되고 있으나, 에틸렌과 같은 탄화수소 계열의 연료를 생산할 수 있는 원소는 구리가 유일하다. 

하지만 일반적으로 구리 촉매는 반응 속도 및 생성물의 선택성이 높지 않아 이산화탄소 저감의 실효성과 생성물의 경제성이 떨어졌다. 이를 해결하기 위해 구리촉매의 특성을 개선하려는 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

연구팀은 산화된 구리의 환원반응을 전기화학적으로 미세하게 제어해 구리 결정면 사이에 1나노미터 미만의 좁은 틈을 생성했다. 이 원자 틈에서 이산화탄소 환원반응 중간생성물의 촉매표면 흡착에너지를 최적화해 촉매반응의 활성을 극대화했다. 동시에 탄소-탄소 결합을 유도해 에틸렌과 같은 고부가 화합물이 효율적으로 생산되는 것을 규명했다.

강정구 교수는 "구리 기반 촉매소재에 간단한 공정 처리기술을 도입해 온실가스인 이산화탄소를 전환함으로써 고부가 화합물인 에틸렌을 효율적으로 생산하는 소재기술"이라며 "기후변화 및 온실가스 문제 대응을 위한 핵심 대안기술이 될 수 있을 것으로 전망한다"고 말했다.

연구는 KAIST와 성균관대학교 (정형모 교수), UNIST (권영국 교수), 부산대 (김광호 교수), 미국 버클리, 칼텍 연구팀과 공동연구를 통해서 이뤄졌다. 연구결과는 에너지분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 미티리얼즈'에 지난 10일자로 게재됐다.