[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

전기화학적 이산화탄소 환원 반응(CO₂RR)은 주요 온실가스인 이산화탄소(CO₂)를 고부가가치 화학물질 및 연료로 전환하는 친환경 기술로, 탄소 저감과 에너지 전환을 동시에 달성할 수 있는 유망한 방법으로 주목받고 있다. CO₂RR을 통해 생산되는 물질 중 포름산은 시장 수요와 응용 범위가 넓어 상업성이 높지만, 실용화를 가로막는 큰 한계가 존재한다. 바로 산소 발생 반응(OER)의 비효율성이다. CO₂RR 시스템의 짝반응으로 쓰이는 OER은 반응 속도가 느리고 전위가 높아, 전체 셀 전압을 과도하게 끌어올려 막대한 전력을 소모하게 만든다.

이에 따라 OER을 대신할 대체 산화 반응을 모색돼왔다. 요소, 암모니아, 하이드라진 등의 저분자 산화 반응은 전압을 낮출 수 있지만 부산물로 저부가가치 물질이 생성되는 문제가 있다. 알코올을 이용한 산화 반응은 더 낮은 전위에서 작동하지만 여전히 높은 구동 전압이 필요해 에너지 효율이 충분치 않았다. 따라서 낮은 전압에서 작동하며 동시에 부가가치가 높은 생성물을 내는 새로운 산화 반응의 개발이 CO₂RR 상용화를 위한 핵심 과제로 남아 있었다.

2.연구내용

연구팀은 낮은 전압에서 작동하면서도 수소와 유기산을 동시에 생성할 수 있는 알데히드 산화 반응(AOR)에 주목했다. 특히 알데히드 중 포름알데히드(Formaldehyde, HCHO)는 가격과 공급 안정성이 우수하며, 반응 과정에서 촉매를 재활성화할 수 있는 환원력을 지닌다는 점에서 이상적인 반응물로 선정됐다.

연구팀은 포름알데히 산화를 위한 촉매를 개발했다. 구리 (Cu) 및 은 (Ag)를 주 활성원소로서, 전기화학적 증착 및 환원 과정을 통해 구리 폼 위에 Cu-Ag가 균일하게 섞인 바이메탈 (bimetal) 형태의 고성능의 포름알데히드 산화 반응 (Formaldehyde oxidation reaction, FOR) 촉매를 개발했다.

실시간 라만 분석과 전기화학 측정을 통해, Cu는 반응 시작 전위를 낮추고, Ag는 포름알데히드의 흡착을 촉진한다는 역할 분담을 규명했다. 두 금속의 시너지 효과로 촉매는 0.1~0.5 V_RHE의 낮은 전위에서 94.4%의 페러데이 효율과 7.52 mmol h⁻¹ cm⁻²의 생산 속도를 달성했다. 또한 반응 중 포름산 축적이 촉매 표면의 흡착을 방해해 비활성화를 일으킬 수 있음을 최초로 보고했다.

이 촉매를 기반으로 연구팀은 양극에서 포름알데히드 산화 반응(FOR), 음극에서 CO₂RR이 동시에 일어나는 새로운 전기화학 시스템을 구축했다. BiOCl 나노시트 촉매를 음극에, Cu–Ag 촉매를 양극에 적용한 결과, 0.5 V의 낮은 전압에서 음극 96.1%, 양극 82.1%의 효율로 포름산이 생성됐으며, 총 생산 속도 0.39 mmol h⁻¹ cm⁻²를 기록했다. 이는 기존 OER 기반 시스템 대비 1.5 V 이상 낮은 전압으로, 에너지 효율과 생산성이 대폭 향상된 결과다.

마지막으로, 연구팀은 FOR의 활용 범위를 넓히기 위해 이를 수소 발생 반응(HER), 질산염 환원 반응(NO₃RR), 산소 환원 반응(ORR)과 결합해, 외부 전원 없이 수소, 암모니아, 과산화수소를 생산하는 자가구동형 전기화학 시스템도 제시했다.

3.기대효과

본 연구에서 개발된 CO2RR와 FOR를 결합한 고효율 전기화학 시스템은 초저전압에서도 양극과 음극 양측에서 저부가가치의 환경오염 주요 물질들인 이산화탄소와 포름알데히드를 고부가가치 물질의 포름산으로 동시에 생산할 수 있다는 점에서 친환경 탄소중립형 에너지 솔루션을 제시하는 사례이다.

또한, 본 연구에서 개발된 전기화학적 촉매 합성 기술은 본 연구에서 제시한 FOR 뿐만 아니라 다른 전기화학적 촉매 반응을 위한 고효율 촉매 합성 전략에 활용될 수 있어, 촉매 연구 분야의 학문적 및 산업적 확장성을 제공할 것으로 기대된다.

마지막으로, FOR을 다재다능한 음극 반응으로 확립함으로써 고부가가치 화합물합성과 전기 생성이 동시에 이루어지는 다목적 시스템을 개발했다는 점에서, 환경 문제 해결과 자원 순환에 기여하는 지속 가능한 친환경 공정의 산업적 실현 가능성을 높인다.

[붙임] 용어설명

1.이산화탄소 환원 반응 (CO2RR)

외부 전기에너지를 통해 전자를 받아 이산화탄소를 일산화탄소, 포름산, 메탄, 에틸렌 등과 같은 유용한 탄소 화합물 또는 연료로 전환하는 전기화학적 환원 반응이다.

2.포름알데히드 산화 반응 (FOR)

외부 전기에너지를 통해 포름알데히드를 고부가가치의 포름산으로 전환하고 동시에 수소를 생산하거나 전기화학 전지의 셀 전압을 낮추는데 활용되는 전기화학적 산화 반응이다.

3.라만 분석

라만 산란(Raman Scattering) 현상을 이용하여 물질의 화학적 구조, 분자 진동, 결정 구조 및 성분을 비파괴적으로 분석하는 기술이며, 주로 라만 분광법(Raman Spectroscopy)이라고 불린다.

4. 페러데이 효율

전기화학적 반응에서 전류를 사용해 원하는 반응을 얼마나 효율적으로 일으켰는지를 나타내는 지표이며, 총 사용된 전기에너지 중 원하는 반응에 쓰인 전기에너지의 비율이다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 이산화탄소를 포름산으로 바꾸는 시스템 비교(상단)과 개발된 촉매의 구조(하단)

산소 발생 반응(OER)을 짝반응으로 사용하는 기존 이산화탄소 전환 시스템(왼쪽)과 포름알데히드 산화 반응(FOR)을 적용한 새 시스템(오른쪽)
기존 시스템은 산소를 생성하느라 많은 전력이 소모되지만, 새 시스템은 포름알데히드 산화 반응을 짝반응으로 사용해 구동 전압을 크게 낮추고, 포름산을 추가적으로 생산한다.
아래는 구리–은(Cu–Ag) 복합 촉매의 제조과정과 작동 원리를 보여준다. 구리 지지체 표면에 전기화학적 방법으로 구리와 은을 동시에 입혀, 두 금속이 고르게 섞인 복합 촉매층을 형성했다. 형성된 촉매 표면에서 포름알데히드가 흡착·산화되어 포름산으로 바뀌게 된다.