세계는 유례없는 고온 현상과 폭설 등 에너지 및 환경 문제에 직면해 다양한 정책과 해결방안 설계해야 하는 상황이다. 이런 상황 속에서 온실가스인 이산화탄소(CO2)와 미세먼지 원료인 질산염(NO3-)을 낮추고 함께 농과 각종 산업에 필수적인 요소(Urea)를 생산할 수 있는 가능성이 열려 주목받고 있다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 권영국 교수팀(제1저자 신석민 석박통합과정 연구원)은 구리 내에 원자 수준의 틈을 제어하는 기술을 적용해 이산화탄소와 질산염을 고부가가치의 요소(Urea)로 전환하는 새로운 촉매 소재를 개발했다.
그림1. 본 연구의 요약도
권 교수팀은 먼저 에너지화학공학과 송현곤 교수팀과 리튬화 공정을 통해 촉매 내부의 원자 수준 틈을 구현했다. 또한 에너지화학공학과 이현욱 교수팀 원자 수준의 틈이 생성되는 것을 실시간 투과 전자 현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy)분석을 통해 관측하고 규명했다. 이를 통해 구리 나노입자의 두 면 사이에 원자 수준의 틈을 도입해 이산화탄소와 질산염의 전기화학적 공동환원 반응에 이상적이고 효율적인 촉매를 생성했으며, 해당 촉매를 통한 요소 합성의 전류효율과 생산속도가 크게 향상됨을 보고했다.
생성된 구리 촉매 중 틈의 거리가 6옹스트롬(Å)에 가까운 구리(6Å-Cu) 촉매는 기존의 구리 촉매에 비해 약 17배의 요소 생산 속도(7541.9 μg h−1 mgcat−1)와 19배가 넘는 요소 전류밀도(115.25 mA cm−2)의 성능향상을 보였다. 해당 수치는 현재까지 학계에 보고된 내용 중 최고 수치이다. 또한 50시간 안정성 시험을 통과해 안정성에 대한 검증도 완료됐다.
그림2. 원자-수준 공간을 가진 구리촉매의 전자현미경 관측 결과
또한 연구팀은 밀도범함수이론(Density Functional Theory, DFT) 계산을 통해 개발된 촉매의 빠른 반응속도는 구리 표면의 상단에서 하단으로의 전자 밀도 이동에 의한 것이며 이산화탄소와 질소의 화합물인 C-N 결합의 전이 상태를 안정화하고 낮은 열역학 장벽에서 기인했다는 것을 밝혔다.
권영국 에너지화학공학과 교수는 “전기화학적 이산화탄소·질소화합물의 동시환원 분야가 초기 연구단계인 만큼, 기초연구를 통해 분야의 이해를 넓히는 동시에 촉매 시스템에 대한 연구를 함께 진행하는 것은 기술의 상업화에 필수적이다”며 “현재 수입에 의존하는 요소를 국내에서 자체 생산할 수 있는 원천기술을 발전시켜 탄소중립에 기여하겠다”고 말했다.
그림3. Cu 및 ds를 가진 Cu 촉매에서 CO2와 NO3-의 전기화학적 동시 환원반응 (CR-CO2NO3-)의 성능평가
제 1저자인 신석민 석박통합과정 연구원은 “기존의 구리 촉매는 요소의 선택도가 낮아 경쟁반응을 억제하며 높은 선택도를 보이는 촉매의 개발이 필요했다”며 “구리촉매에 원자 수준의 틈을 도입해 고성능·고내구성 요소 생산 촉매를 개발했다”고 말했다.
이번 연구는 에너지·환경과학 분야의 세계적 권위지인 ‘Energy & Environmental Science’에 2023년 3월 28일자로 온라인 게재됐고 Inside Back Cover 논문으로 선정돼 5월 17일에 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구, 산업통상자원부 에너지기술개발사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
