"이산화탄소로 '핵심 에너지원' 메탄올 만든다…구리 촉매 개발"

배터리 방전 과정을 적용해 정교한 구조의 고효율 촉매를 제작함. (UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지) /뉴스1

(울산=뉴스1) 조민주 기자 = 울산과학기술원(UNIST)은 류정기 에너지화학공학과 교수팀이 김종순 성균관대 교수팀, 손 알로이시우스 연세대 교수팀과 이산화탄소(CO₂)를 메탄올로 바꾸는 구리 촉매를 개발했다고 26일 밝혔다.

메탄올은 플라스틱, 합성섬유 등의 기초 화학제품 원료이자 액체 상태로 저장·운반이 쉬워 최근에는 수소 저장운반체, 연료전지 원료 등 에너지원으로도 주목받는 물질이다.

이산화탄소를 원료로 메탄올을 생산하면 탄소배출도 줄일 수 있지만 반응 과정에서 수소 같은 물질이 섞여 나오는 탓에 정제 공정을 거쳐야 하는 한계가 있다.

연구팀이 개발한 구리 촉매는 부산물이 아닌 메탄올만 골라서 만들 수 있다. 이를 뜻하는 메탄올 선택도는 구리 기반 촉매 중 가장 높은 최대 70%를 기록했다. 이는 고가의 귀금속 촉매에 버금가는 성능이다.

일반적인 구리 촉매의 선택도는 10~30% 수준이다.

이 촉매는 구리 피로인산염(Cu₂P₂O₇) 나노 영역과 순수 구리 금속 영역이 마치 퍼즐처럼 꼭 맞는 조합을 이루는 밀착 구조다. 이 구조 덕분에서 수소가 만들어지는 경쟁 반응이 억제되고 메탄올만을 선택적으로 만들어낼 수 있다.

이런 정교한 복합 구조를 만들기 어렵지만 연구팀은 리튬배터리의 방전 원리를 활용했다.

배터리 방전처럼 전극 재료에 전류를 흘려주면 전극에 포함된 구리 피로인산염 일부가 순수 구리로 환원되며 두 물질이 한 입자 안에서 자연스럽게 섞이는 복합 구조가 형성된다.

촉매를 제외한 전극 물질 등은 물로 씻어내 손쉽게 제거할 수 있다. 또 이 반응이 기존에 알려진 방식과는 다른 경로를 따른다는 점도 이번 연구의 중요한 발견이다.

보통은 일산화탄소(CO)를 거쳐 메탄올이 만들어지는데 이 촉매는 포름산(HCOOH)을 먼저 만들고 이를 다시 메탄올로 바꾸는 방식이다.

이는 새로운 메탄올 합성 촉매 개발의 기반이 될 수 있을 뿐 아니라 메탄올 합성 경로에 대한 이해를 넓히는 데도 의미 있는 단서가 될 것이란 설명이다.

류 교수는 "메탄올은 전 세계에서 매년 수천만 톤 이상 소비되는 중요한 산업 원료이자 에너지원"이라며 "값싼 구리로 높은 선택성과 전류밀도를 확보한 이 촉매 기술은 공장에서 이산화탄소를 곧바로 유용한 자원으로 바꾸는 탄소 자원화 시대를 앞당기는 데 기여할 수 있을 것"이라고 설명했다.

이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 김현우 박사, 박수환 석·박사통합과정 연구원, 성균관대학교 이지회 석·박사통합과정 연구원, 연세대 이상섭 석·박사통합과정 연구원이 참여했다.

연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 머터리얼즈'에 5월 20일 온라인 공개됐다.

minjuman@news1.kr

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