[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

기후 위기 시대에 CO2는 줄여야만 하는 부담으로 인식돼 왔다. 공정 배출, 산업·발전 부문에서 발생하는 CO2는 처리와 저장에 높은 비용이 들고, 이산화탄소 포집·활용(CCU) 기술 역시 경제성과 안정성 문제가 뒤따른다. 그런 한편, 차세대 촉매·에너지 소재 분야에서는 서로 다른 금속 여러 종을 하나의 물질 안에 균일하게 혼합하는 다성분 소재가 새로운 돌파구로 주목받고 있지만, 이를 실제로 복잡하며 많은 에너지가 소모되는 합성 과정은 여전히 해당 소재 상용화의 큰 장벽으로 남아 있다.

다성분 소재는 금속 간 상호작용이 복잡하게 얽히면서 기존 단일·이원계 물질에서 볼 수 없는 새로운 물성을 발휘하는 것으로 알려져 있다. 촉매 활성 증가, 전기화학 반응성 향상, 열적·기계적 안정성 증대 등 매우 다양한 가능성이 입증되어 왔다. 그러나 이를 만들기 위해서는 고온·고압, 고온·저압, 강력한 볼밀링, 아크 용융, 탄소 열충격과 같은 혹독한 공정 조건이 요구된다. 이러한 방식은 에너지 소모가 클 뿐 아니라 조성 제어가 어렵고 산업적 확장성도 떨어져, 실제 활용으로 이어지는 데 큰 제약이 돼왔다.

이 때문에 학계에서는 “에너지 소모를 최소화하면서도 수많은 금속을 균일하게 혼합할 수 있는 전혀 새로운 합성 패러다임”을 필요로 해왔다. 특히, 물 속에서 비교적 쉬운 조건으로 합성이 가능한 탄산염·수산화물 기반 나노소재는 잠재성이 높지만, 기존 탄산·수산화 구조체는 구조적 제약으로 인하여 금속 종류가 많아질수록 혼합이 어려워지는 근본적 한계를 갖고 있다.

이를 극복하기 위하여, CO2를 활용한 ‘음·양이온 배열 제어(anionic–cation arrangement control)’를 통해 연구진은 탄산 이온이 단순히 물 속에 녹아 있는 물질이 아니라, 금속 이온의 배치를 다시 설계하고 기존 결정 구조의 규칙을 무너뜨릴 수 있는 적극적인 화학적 주체라는 점에 주목했다. 이 발상을 통해 이번 연구는 “CO2를 처리해야 할 오염원에서, 새로운 고기능성 물질을 설계하는 핵심 자원”으로 전환하는 개념적 도약을 보여준다.

2.연구내용

연구팀은 CO2를 물에 녹여 만든 탄산수 환경에서 금속 이온 용액을 반응시키면, 서로 다른 금속 수십 종이 단일 나노구조 안에 균일하게 혼합되는 독특한 현상이 발생함을 규명했다. 이 과정에서 CO2에서 유래한 탄산 이온이 금속 이온 사이를 직접 연결하는 ‘브릿지 음이온’으로 작용하여 기존 구조의 장거리 질서를 무너뜨리고, 금속 반경이나 전하 차이로 인해 제한되던 조성의 한계를 극복하는 핵심 역할을 한다는 사실이 확인되었다. 연구팀은 이러한 음·양이온 배열 제어 메커니즘을 활용하여 최대 30종 금속이 균일하게 섞인 다성분 탄산염–수산화물 나노구조를 상온·대기압에서 단 1분 만에 합성하는 데 성공했다. 준비 과정까지 포함해 수 분이면 된다.

또한 탄산 이온이 금속–탄산 직접 결합을 유도함으로써 구조가 재편되고, 그 결과 금속 이온이 원자 단위에서 통계적으로 균일하게 분산된 다성분 구조가 형성되는 것이 XRD, FTIR, STEM-EDS 분석을 통해 입증됐다. 원소 수가 증가할수록 결정성은 낮아지고 구조적 무질서는 증가하는 특성이 확인됐으며, 이는 기존 결정 구조의 규칙을 뛰어넘는 새로운 합성 경로임을 시사한다. 특히 본 합성법은 고온·고압 장비가 필요하지 않으며, 금속염 용액과 탄산수를 혼합한 후 pH만 조절하면 즉시 합성되어 에너지 소비가 극히 낮은 공정이라는 점에서 큰 장점을 가진다.

아울러 CO2는 반응 과정에서 탄산 이온 형태로 물질 내부에 안정적으로 저장되며, 금속 종류가 많아질수록 구조 내에 고정되는 양도 증가하는 것으로 나타났다. 이는 본 합성 플랫폼이 새로운 다성분 나노소재 제조법일 뿐 아니라, CO2 활용을 통한 탄소 저감 기능까지 동시에 수행하는 기술임을 보여준다.

종합적으로 이번 연구는 CO2를 기반으로 기존 합성법의 구조·조성 한계를 극복한 새로운 물질 설계 전략을 제시하였으며, 복잡한 조성을 갖는 첨단 나노소재를 상온에서 신속하게 제조할 수 있는 기술적 전환점을 마련한 연구이다.

3.기대효과

이번 연구는 CO2를 단순한 배출물이 아닌 첨단 다성분 나노소재를 만드는 핵심 원료로 전환함으로써, 탄소 활용(CCU) 기술의 새로운 방향을 제시한다. CO2에서 유래한 탄산 이온을 구조 형성에 직접 참여시키는 합성 전략을 통해, 기존 기술로는 어려웠던 다성분 조성을 상온·대기압 조건에서 구현할 수 있게 되었다.

이러한 공정은 추가 열처리나 고압 장비 없이도 짧은 시간 안에 물질이 형성되기 때문에 에너지 소비가 매우 낮고 대량 생산에도 유리하다. 특히 최대 30종 금속까지 균일하게 혼합할 수 있는 조성 자유도로 인해 금속 반경·전하 차이가 큰 원소들도 하나의 구조 안에서 안정적으로 공존할 수 있음을 의미하며, 앞으로 더 다양한 원소 조합 연구로 확장될 수 있다.

또한 이번에 합성된 탄산–수산화 기반 구조는 금속 산화물, 황화물, 인화물, 합금 등 여러 형태의 기능성 물질로 변환 가능한 전구체 역할을 할 수 있다. 이로 인해 촉매, 전기화학 에너지 저장, 환경 정화와 같은 응용 분야에서 새로운 조합을 설계할 수 있는 기반이 마련된다. 종합적으로, 본 연구는 환경·에너지 소재 분야 전반에서 새로운 전략적 플랫폼이 될 잠재력을 갖는다.

[붙임] 용어설명

1.다성분 소재(compositionally complex/multi-component materials)

두 가지 이상의 서로 다른 원소가 결합하여 기존의 단일 원소 또는 이성분계 소재에서는 얻기 어려운 독특하고 우수한 특성을 나타내는 물질을 통칭하는 용어이다. 특히 합성 과정에서 구성 원소의 조성과 비율을 조절하여 원하는 특성을 도출할 수 있다.

2.이산화탄소 포집·활용(CCU, carbon capture and utilization)

대기 중이나 산업 현장에서 배출되는 이산화탄소를 포집(capture)한 후, 이를 단순히 저장하는 것이 아니라 화학 원료, 연료, 건축자재 등 다양한 유용한 제품으로 전환을 통해 자원화하여 경제적 가치를 창출하는 기술이다. 기존의 CCS(carbon capture and storage)와 달리 이산화탄소를 재활용하여 순환경제에 기여하며, 탄소중립 및 기후변화 대응에 핵심적인 역할을 한다.

3.이산화탄소(CO2)와 탄산 이온(CO32―)

물과 이산화탄소(CO2)가 반응하면 탄산(H2CO3)이 생성되고, pH의 변화에 따라 수소 이온이 해리되면 중탄산 이온(HCO3―) 및 탄산 이온(CO32―)이 순차적으로 만들어진다.

4.음·양이온 배열 제어(anionic–cation arrangement control)

금속 양이온과 비금속 음이온이 물질 내에서 어떻게 공간적으로 배열되고 정렬되는지를 조절하는 기술 또는 개념을 뜻한다. 양이온과 음이온의 이온 반경, 전하량, 전자배치 등이 배열에 영향을 준다. 이는 이온 결합 물질에서 양이온과 음이온 간의 정전기적 상호작용과 화학적 안정성에 크게 영향을 미치며, 물리적·화학적 특성 제어에 핵심이다.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

그림설명. 탄산수를 이용해 30가지의 금속원소를 포함한 나노물질이 형성되는 과정을 보여주는 모식도

CO2가 용해된 탄산수에서 pH 조절을 통해 생성된 탄산 이온과 다양한 금속 양이온이 빠르게 반응하여 초다성분 탄산염–수산화물 나노소재가 형성되는 전체 합성 과정을 개념적으로 보여주는 그림이다. 이 메커니즘을 통해 상온·대기압 조건에서 최대 30종의 금속이 균일하게 혼합된 나노구조를 1분 이내에 형성할 수 있다.