국내 공동연구진이 온실가스 주범으로 알려진 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 포착하는데 성공하면서 CO₂를 제거하거나 전환 가능성이 한층 높아졌다.

GIST(총장 김기선)는 문봉진 교수 연구팀이 IBS(기초과학연구원) 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡)의 박정영 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀, 김현유 충남대 교수 연구팀과 같이 이산화탄소 분자가 로듐 촉매 표면에서 분해되는 순간을 직접 관찰하는데 성공했다고 9일 밝혔다.

기후변화로 인한 피해는 해마다 증가한다. 이에 따라 지구온난화를 가속시키는 온실가스인 이산화탄소를 유용한 물질로 전환활 수 있는 기술이 활발히 연구되고 있다. 포집된 이산화탄소를 메탄, 메탄올과 같은 청정 연료로 전환한다면, 환경과 석유 에너지 의존 문제를 해결 할 수 있기 때문이다.

하지만 이산화탄소는 화학적으로 매우 안정해 전환을 위해서는 높은 에너지가 소모된다. 이산화탄소를 일산화탄소와 산소로 분해시키는 초기 과정에는 수십 기압의 고압 반응이 요구되기도 한다. 이 때문에 최적의 반응경로를 설계하고 전환 효율을 향상시키려면 이산화탄소의 분해 메커니즘을 면밀히 파악하는게 중요하다. 지금까지 분광학적 분석 등 제한적인 증거만 제시됐을 뿐 이산화탄소 분해 과정의 화학적 메커니즘을 원자 수준에서 정확히 제시한 연구는 없었다.

연구팀은 이산화탄소 분자의 크기(Å·100억분의 1미터)가 수 옹스트롬으로 화학반응기 내부 압력에 의해 촉매 표면에서 스스로 구조변화를 일으킬 수 있다는 이론적 예측에서 아이디어를 얻었다.

김현유 충남대 교수에 의하면 우리가 살아가는 환경은 크기가 작은 이산화탄소 분자 입장에서는 상당한 에너지를 공급받는 고압 환경이다. 때문에 주변 압력으로 단위 면적 당 분자 간 충돌 횟수가 크게 높아지며 분자가 불안정해지고 분해에 이르게 된다.

연구팀은 이후 방사광가속기를 활용해 로듐 촉매 표면의 미세한 화학 결합 에너지 변화를 측정했다. 이를 통해 상압 환경에서 반응을 시작한 뒤 일산화탄소가 서서히 증가함을 확인했다. 또 구조변화를 일으킨 이산화탄소의 전자구름(원자 내부의 특정 위치에 존재할 수 있는 전자 위치의 확률적 분포) 밀도차이가 로듐 촉매 표면에서 극대화됨을 발견했다. 로듐 촉매의 표면에서 이산화탄소 분해가 시작된다는 증거를 제시한 셈이다.

문봉진 교수는 "지구온난화 원인으로 지적되는 이산화탄소의 효과적 제거와 활용을 위해 이산화탄소의 분해 메커니즘을 파헤쳐야 한다"며 "이번 연구는 실험과 계산과학 분야 공동연구를 통해 표면 이산화탄소의 변화를 원자 수준에서 관찰하고 후속 연구를 위한 표준 연구 방법론을 제시했다는 데 의미가 크다"고 말했다.

박정영 IBS 부연구단장은 이산화탄소가 촉매 표면에서 스스로 분해된다는 이론은 오래 전 제시됐지만 그동안 실험 증거가 제시된 적이 없어 40년간 난제로 여겨졌다"며 "앞으로 이산화탄소의 전환률에 영향을 미치는 핵심 연결고리를 규명하기 위한 연구를 진행 할 계획"이라고 강조했다.

이번 연구성과는 지난 6일 오후 7시 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스 온라인 판에 게재됐다.