이산화탄소 전환 기술 '전해질 범람' 막는 은 나노촉매 개발

KIST-LG화학 "촉매 표면 소수성 지질 처리…효율 3배 이상 높여"

이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 탄소 포집·저장·활용(CCUS) 기술에서 효율을 떨어트리는 요인 중 하나인 '전해질 범람' 문제를 해결한 은 나노 촉매가 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 청정에너지연구센터 오형석 센터장과 이웅희 선임연구원 연구팀이 KIST 반도체기술연구단 황규원 책임연구원 연구팀 및 LG화학 노태근 박사팀과 공동으로 이산화탄소 전환 장치에서 발생하는 전해질 범람을 막는 새로운 촉매를 개발했다고 밝혔다.

전해질은 이산화탄소를 전기를 이용해 일산화탄소 같은 쓸모 있는 화합물로 전환하는 전기화학적 CCUS 기술에서 반응 속도와 효율성을 결정짓는 핵심 요소다.

하지만 환원 전극에서 전해질이 전극 사이에 과도하게 흐르는 전해질 범람이 일어나 이산화탄소가 전극 촉매층에 닿는 걸 방해해 전환 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 약 7나노미터(㎚, 10억분의 1m) 크기 정이십면체 구조의 은 나노입자에 지질 유기물을 결합, 표면이 물 분자가 잘 붙지 않는 소수성을 띠면서도 주변 환경을 제어할 수 있도록 했다.

소수성 지질이 전극 주변에 물이 축적되는 것을 방지해 전해질 범람을 막게 되고, 이를 통해 촉매의 이산화탄소 전환 성능이 계속 유지되게 한 것이다.

이 촉매를 활용하면 기존 촉매량의 3분의 1 수준으로도 이산화탄소 전환율을 유지할 수 있고, 3.4V 과전압 조건에서 12시간 정도만 성능을 유지하는 기존 촉매와 달리 50시간 이상 성능을 유지하는 것으로 나타났다고 연구팀은 설명했다.

KIST와 LG화학 공동연구팀은 향후 석유화학 공정 등 대규모 생산시설에 적용할 수 있도록 실증 시스템에 이 촉매를 적용하는 연구를 수행할 예정이라고 밝혔다.

오 센터장은 "전기화학 시스템에서 내적, 외적 요인을 모두 고려한 촉매 합성 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다"며 "향후 전기화학적 이산화탄소 전환 기술의 실증 및 상용화를 앞당길 것"이라고 말했다.

이 연구 결과는 지난 4월 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 실렸다.

/연합뉴스