2022.09.18 동아사이언스
KIST, 저렴한 촉매기술로 일산화탄소 전환
황화니켈 촉매 개요 그림과 논문. KIST 제공.
국내 연구진이 지구온난화를 유발하는 온실가스 중 하나인 이산화탄소를 일산화탄소로 전환해 자원화하는 새로운 촉매 소재를 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST)은 청정에너지연구센터의 오형석 책임연구원과 이웅희 선임연구원 연구팀이 이산화탄소를 산업계 원료로 쓰이는 일산화탄소로 전환할 때 쓰이는 황화니켈 촉매 물질을 개발했다고 18일 밝혔다. 개발된 촉매는 실제 시스템에 적용한 결과 기존 니켈단일원자 촉매보다 이산화탄소 전환 성능이 3배 이상으로 확인됐다.
이산화탄소에 전기화학적 환원반응을 일으키면 일산화탄소나 에틸렌, 개미산, 메탄올 등 유용한 화합물로 전환할 수 있어 이를 포집·활용·저장하려는 연구개발이 활발히 이뤄지고 있다. 일산화탄소는 화학, 금속, 전자산업에서 환원제로 주로 활용된다. 에너지 투입 대비 생산량이 많아 이산화탄소로 만들 수 있는 화학원료 중에서도 경제적 가치가 가장 높은 물질이다.
이산화탄소의 일산화탄소 전환 연구는 값비싼 은과 금 등 귀금속 촉매를 바탕으로 이뤄졌다. 상용화를 위한 저렴한 촉매 소재 개발이 필요했다. 니켈 기반 단일원자 촉매가 귀금속 촉매 대안으로 개발됐지만 이산화탄소 전환 성능이 낮았다.
연구진은 상대적으로 저렴한 황화 니켈 촉매를 제안하고 이를 실제 시스템에 적용해 높은 성능을 확보했다. 일반적으로 단일 원자상태의 니켈만 이산화탄소 전환이 가능하고, 이외의 금속상태의 니켈 촉매는 이산화탄소 전환 성능이 없다고 알려져 있었다.
하지만 실시간 분석을 통해 연구한 결과 황화니켈 촉매는 반응 중에 단일 원자 니켈 촉매의 전자구조를 모사해 높은 전기화학적 이산화탄소 전환 활성을 보이는 것을 확인했다. 전력효율도 기존 니켈 단일원자 촉매(22%)보다 3배 이상(70%) 향상되는 것으로 확인됐다.
오형석 책임연구원은 “다양한 저가 촉매를 개발할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다는데 이번 연구의 의의가 있다”며 “향후 장시간 내구성 등 후속연구를 통해 황화니켈 촉매의 빠른 상용화에도 힘쓸 계획”이라고 밝혔다. 연구결과는 에너지환경 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 최신호에 게재됐다.
김민수 기자