(좌) 화공생명공학과 문준혁 교수, (우) 최지윤 박사과정

고려대학교 공과대학 화공생명공학과 문준혁 교수 연구팀이 수소 생산과 메탄 자원화를 동시에 구현할 수 있는 전기화학 촉매 설계 전략을 제시하였다.

수전해는 물을 전기로 분해해 수소를 생산하는 청정 수소 생산 핵심 기술로, 일반적으로 음극에서는 수소가 생성되고 양극에서는 산소 발생 반응이 일어난다. 최근 이 양극 반응을 유용 물질 생산 반응과 연결해 수소 생산과 화학물질 전환을 동시에 구현하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

문준혁 교수 연구팀은 수전해 양극의 산소 발생 반응(OER)을 메탄 산화 반응(CH4OR)으로 대체하는 전략을 제시하였다. 메탄은 천연가스의 주성분으로 풍부하지만 화학적으로 안정하여 원하는 방향으로 전환하기 어려운 분자로, 이를 효과적으로 활성화할 수 있는 촉매를 찾는 것이 매우 중요하다.

이번 연구를 주도한 최지윤 박사과정은 촉매 표면 산소종의 열역학적 안정성과 메탄 C-H 결합 활성화 장벽이라는 두 가지 기준을 바탕으로 촉매를 선별하는 "Two-criterion descriptor" 기준을 제안하였다. 연구팀은 15종의 루타일형 금속산화물을 비교해 두 조건을 모두 만족하는 촉매로 RuO2를 도출하였다.

또한 연구팀은 반응 중간체를 실험적으로 규명해 표면 산소종 매개 메탄 활성화 및 C-C 결합 형성 기구를 규명하였다. 문준혁 교수는 "이번 연구는 전기화학적 메탄 산화 반응에서 촉매 성능을 좌우하는 핵심 기준을 제시하고, 실제 반응 경로까지 규명했다는 데 의미가 있다"며 "향후 수소 생산과 탄소 자원화를 동시에 구현하는 고효율 전기화학 시스템 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

문준혁 교수 연구팀은 전기화학 촉매, 에너지 전환 반응, operando 분석을 기반으로 수소 생산과 탄소 자원화가 결합된 차세대 에너지 기술을 연구하고 있다. 이번 성과는 메탄 자원화 촉매 설계의 새로운 방향을 제시하는 동시에, 전기화학 기반 에너지 전환 연구의 확장 가능성을 보여준다.

이번 연구 성과는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 2026년 7월 4일 국제학술지 Chemical Engineering Journal(IF 13.2, JCR 상위 4.54%)에 게재되었다. 
* 논문명: Two-criterion descriptor screening identifies rutile oxide catalysts for selective electrochemical methane oxidation to ethanol (https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.179059)