▲ (왼쪽부터) 김명근 박사(제1저자), 박진우 박사, 최영조 박사과정학생, 김웅 교수(교신저자)

고려대학교 공과대학(학장 이해근) 신소재공학부 김웅 교수팀은 한국과학기술연구원(KIST) 및 인하대 연구팀과 협력 연구를 통해 대표적 온실가스인 이산화탄소를 화장품 원료로 쓰이는 삼차 뷰틸 알코올로 전환하는 촉매를 개발했다.

전기화학적 이산화탄소 환원은 전기에너지를 이용해 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하는 차세대 기술이다. 대기 중 온실가스의 농도를 낮출 뿐 아니라, 이산화탄소를 고부가가치 화학 원료 형태로 변환할 수 있기에 기후 변화에 대응하는 핵심 기술로 여겨진다. 이산화탄소는 안정한 구조를 이루고 있기에, 전환 반응을 일으키기 위해서는 촉매가 필요하다. 하지만, 현재까지 개발된 대부분 촉매를 이용하여 CO₂를 전환할 경우 비교적 단순한 구조를 갖는 일산화탄소(CO), 개미산(HCOOH), 메탄올(CH₃OH) 등 탄소 한 개를 포함하는 분자는 형성할 수 있지만, 삼차 뷰틸 알코올처럼 탄소를 4개 이상 포함하는 다탄소 화합물 형성은 매우 어렵다고 알려져 있다. 그러므로, 이산화탄소를 다양한 화학 원료 형태로 전환하기 위해서는 신소재 개발이 필요한 상황이다.

▲ 구리-이리듐 합금 나노입자의 원소 맵핑 이미지. 친산소성 이리듐이 표면에 풍부한 조성 구배(composition gradient)를 나타냄(초록색: 구리;빨간색: 이리듐).

▲ (좌) 구리-이리듐 합금 나노입자의 전기화학적 이산화탄소 환원 성능 평가 결과. 

(우) 기존 다탄소 (C4) 생성 촉매와의 성능 비교표.

▲ 전기화학적 이산화탄소를 통한 삼차 뷰틸 알코올의 형성 과정 모식도.

이에 연구팀은 구리-이리듐 합금 촉매 나노 입자 형태로 합성하는 데 성공했고 이산화탄소를 삼차 뷰틸 알코올로 효율적으로 전환하는 데에 성공했다. 현재까지 다탄소 생성물의 전환 효율(*Faradaic efficiency)이 1% 이하인 반면, 연구팀은 약 15%의 효율로 이산화탄소를 삼차 뷰틸 알코올로 전환했다. 삼차 뷰틸 알코올은 화장품의 핵심 원료로써 용제 또는 향료 담체의 역할을 한다. 연구팀이 개발한 나노 입자 촉매는 표면에 이리듐이 많이 존재하고, 중심부에는 구리가 많이 존재하는 조성 구배(compisition gradient)를 보인다. 연구팀은 이리듐의 친산소성(*oxophilicity)이 친탄소성(carbophilicity)을 보이는 구리의 표면을 효과적으로 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 성능 향상이 이어진 것이라고 설명했다.

* Faradaic efficiency: 전체 반응에 참여하는 전자 중 특정 생성물을 만드는 데 사용된 전자의 비율.

* 친산소성 : 산소와 강하게 결합 및 산화물을 형성하려는 성질.

▲ 구리-이리듐 촉매를 이용한 삼차 뷰틸 알코올의 형성 과정 관련 그림

연구팀은 다탄소 화합물로 전환하는 과정에서 이리듐의 존재가 중요하다는 사실을 다양한 실험 및 계산 과학을 통해 입증했다. 다탄소 화합물을 형성하기 위해서는 촉매가 반응 중간 생성물(중간체) 내 산소와 강하게 결합해야 한다. 실제로 반응 중 이리듐은 다양한 중간체의 산소 원자와 결합하고 있었다. 

연구팀은 “탄소 4개 이상 포함하는 다탄소 화합물을 효율적으로 형성하기 위해 본 기술은 핵심이 되는 기술이 될 수 있다”고 설명하며, “실제 응용을 위해서는 많은 연구가 필요한 상황이기에, 효율적인 고부가가치 화합물 생산을 위해 고효율 촉매 개발에 대한 관심과 노력이 지속되어야 한다”라고 덧붙여 국내 연구진의 지속적인 노력 및 연구가 이산화탄소 자원화 산업 활성화로 이어지길 기대 중이다.

한편, 이번 연구 결과는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업, 한국에너지기술평가원 신재생에너지기술개발사업 및 고려대학교 교내 연구교원 지원사업의 지원을 받아 한국과학기술연구원(KIST) 및 인하대학교 연구팀과 공동으로 수행했으며, 본 연구는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF : 29.698) 6월호(Inside Front Cover)에 게재됐다. (Adv.Energy Mater. 2023, 13, 2300749)

* 논문명 : CuIr Nanoparticles for Electrochemical Reduction of CO₂ to t−BuOH