KAIST·서울대 "온실가스 감축 '촉매 설계' 새 기준 제시"

촉매 기술의 사용법에 따라 온실가스 감축 효과도 달라진다는 연구 결과가 나왔다. 촉매가 반응하는 환경에 맞춰 산소를 선택적으로 활용할 수 있다는 원리를 밝혀냄으로써 촉매 설계의 새로운 기준을 제시했다는 평가다.

KAIST는 생명화학공학과 이현주·화학과 박정영 교수와 서울대 한정우 교수가 참여한 공동연구팀이 세리아(CeO₂)의 크기에 따라 산소를 사용하는 방식이 완전히 달라진다는 사실을 세계 최초로 규명했다고 4일 밝혔다.

(하단 왼쪽부터) KAIST 이현주 교수, 최윤지 박사과정생, 한재범 박사과정생, KAIST 박정영 교수, (상단 왼쪽부터) 서울대 한정우 교수, 정석현 박사. KAIST

세리아는 고가의 귀금속 촉매를 대체·보완하는 친환경 금속 산화물 촉매다. 산소를 저장한 후 필요할 때 꺼내 쓸 수 있는 장점으로 촉매 분야에서는 '산소 탱크'로도 불린다. 하지만 그간 세리아가 저장하는 산소가 어디에서 모아졌는지, 어떤 조건에서 반응하는지는 명확하게 밝혀지지 않았다.

공동연구팀은 세리아의 특성을 단순히 '산소를 잘 쓰는 촉매'가 아니라 '산소를 상황에 맞춰 선택해 쓰는 촉매'라는 개념으로 접근했다. 또 나노 크기부터 상대적으로 큰 크기의 세리아를 정밀하게 제어한 촉매를 제작하고 산소의 이동과 반응 과정을 체계적으로 분석하는 과정을 거쳤다.

이 결과 작은 크기의 세리아 촉매는 공기 중 산소를 빠르게 받아들여 즉시 반응에 사용하는 '순발력형'으로 작동하지만, 크기가 큰 세리아 촉매는 내부에 저장된 산소를 표면으로 끌어올려 지속적으로 공급하는 '지구력형' 역할을 하는 것이 확인됐다.

바꿔 말해 촉매의 크기 조절만으로도 '반응 조건에 따라 공기 중 산소를 사용할지, 내부에 저장된 산소를 사용할지'를 선택할 수 있는 설계 원리가 밝혀진 것이다. 이 같은 메커니즘을 첨단 실험 분석과 인공지능 기반 시뮬레이션을 통해 동시 입증됐다.

세리아 촉매 활용 이미지(AI 생성). KAIST

공동연구팀은 이 원리를 메탄 제거 실험에도 적용했다. 메탄은 이산화탄소보다 온난화 효과가 수십 배 강한 온실가스다. 산소를 이용해 이산화탄소와 물로 전환하는 촉매 산화 반응으로 제거할 수 있다.

실험에서 작은 세리아 촉매는 공기 중 산소를 즉각적으로 활용함으로써 낮은 온도와 습기가 많은 환경에서도 메탄을 안정적으로 제거하는 성능을 보였다. 이는 백금과 팔라듐 등 고가의 귀금속 촉매 사용량을 줄여도 성능은 향상시킬 수 있음을 보여준다.

이번 성과는 환경 정화 장비의 제조 비용 절감과 비·습기 등 실제 산업 환경에서도 성능이 유지되는 고내구성 촉매 개발로 이어져 친환경 에너지·환경 산업의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.

이현주 교수는 "이번 연구는 촉매에서 산소가 작동하는 두 가지 핵심 메커니즘을 처음으로 명확하게 구분했다는 점에서 의미를 갖는다"며 "기후위기 대응에 필요한 고효율 촉매를 반응 조건에 맞춰 '맞춤 설계'할 수 있는 새로운 길을 열었다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 생명화학공학과 최윤지 박사과정, 서울대 재료공학부 정석현 박사, KAIST 화학과 한재범 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과(논문)는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 9일 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr