안 좋은 온실가스…유용한 물질로 바꾼다

국내연구팀, 고효율 화학 촉매 설계 기술 개발

▲이산화탄소의 고효율 전기화학 전환이 가능한 촉매 설계안과 기본 작용 모식도.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자]지구촌에 심각한 위협이 되고 있는 온실가스를 이용해 유용한 물질로 바꿀 수 있는 고효율 전기화학 촉매 설계 기술이 개발돼 관심을 모으고 있다.

국내 연구팀은 11일 최첨단 양자 역학 시뮬레이션을 이용해 '온실가스를 다른 유용한 물질로 전환할 수 있는 고효율 전기화학 촉매 설계 기술'을 개발했다고 발표했다. 양자역학 시뮬레이션이란 '아주 아주' 작은 단위로 설명하는 것을 말한다. 양자역학을 이용해 화학반응을 원자 수준에서 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 방법이다.

연구팀은 고성능 슈퍼컴퓨터(KISTI 타키온)를 활용해 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는데 필요한 새로운 촉매를 설계한 뒤 이를 활용해 높은 효율로 전환할 수 있음을 양자역학 시뮬레이션을 통해 증명했다. 앞으로 이를 기반으로 다양한 전기화학 분야에서 고성능 촉매를 설계·개발할 수 있을 것으로 예상된다.

지구촌은 환경문제로 인해 온실가스(주로 이산화탄소)를 다양한 방법으로 유용한 물질로 전환해 재활용할 수 있는 기술에 대한 요구가 커지고 있다. 지금까지 연구는 전환 효율이 낮아 상용화에 한계가 있었다. 이런 상황에서 기본적으로 효율이 높은 전기화학적 전환 기술에 주목했다. 고성능·고효율의 전기화학 촉매를 개발하기 위한 시도가 계속돼 왔다. 이산화탄소 전환에 필요한 에너지를 상용화가 가능한 수준으로 낮출 수 있는 촉매 후보는 지금까지는 개발되지 않았다.

연구팀은 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 새로운 고성능·고효율의 촉매를 설계하기 위해 기존 촉매로 사용되고 있는 은(Ag) 표면에 34종의 다양한 원소를 미세하게 첨가해 이산화탄소가 일산화탄소로 전환되는데 필요한 에너지를 양자역학 시뮬레이션을 통해 조사했다.

황(S) 원소가 함유된 촉매가 사용될 경우 은만 촉매로 사용해 이산화탄소를 일산화탄소로 전환할 때 필요한 전압(0.9V)보다 0.5V 이상 줄일 수 있음을 확인했다. 이번 결과는 활성점(화학반응이 이뤄지는 위치)에서 특별한 전자구조가 반응 중간물질을 선택적으로 안정화시켜 반응에 필요한 에너지를 효과적으로 낮춘 것으로 분석됐다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 '하이브리드인터페이스기반미래소재연구단(단장 김광호)'의 지원으로 김형준 연구팀(한국과학기술원)이 진행했다. 화학분야의 학술지인 'Journal of the American Chemical Society'에 7월25일 온라인(논문명: Embedding Covalency into Metal Catalysts for Efficient Electrochemical Conversion of CO2)에 실렸다.

김형준 박사는 "이번 성과는 주로 금속을 조합해 경험적으로 이뤄지던 전기화학 촉매 개발 분야에 새로운 설계 방향을 제안한 것"이라며 "앞으로 온실가스 전환과 감축 분야에서 새로운 원천소재 개발이나 사용에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다"고 설명했다.