기존 생산효율보다 70배 높은 촉매 개발... 탄소중립사회로 조속한 진입 기대

[베타뉴스=방계홍 기자] 지스트(광주과학기술원) 지구·환경공학부 이재영 교수 연구팀은 이산화탄소 재자원화공정을 통해 자동차의 연료로 사용 가능한 친환경 부탄올을 효율적으로 생산하는 기술을 개발했다.

이산화탄소 재자원화란 이산화탄소를 전기화학적으로 전환하여 고부가가치의 유기화합물로 생산하여 재사용하는 기술이다.

연구팀은 구리(Cu) 금속에 인(P)을 도입한 전기화학 촉매를 이용하여이산화탄소가 다탄소 유기화합물로 전환되는 과정에서 반응속도 결정단계인 일산화탄소 흡착종(*CO)을 제어함으로써 부탄올 생산 효율을 기존보다 70배 향상시켰다.

부탄올(Butanol, C4H9OH)은휘발유를 대체할 수 있는 수송에너지로서 에너지 밀도가 높아 고연비를 실현할 수 있다. 부탄올은 페인트, 잉크, 본드를 구성하는 물질일 뿐만 아니라 반도체와 정밀기계의 세정제로도 사용이 가능하다. 식품, 비누, 화장품 등에도 활용된다.

21세기 인류의 최대 이슈인 기후변화에서도 특히 지구온난화의 주범인 온실가스 이산화탄소를 감축하면서 석유화학 공정을 통해서만 생산할 수 있는 고부가가치의 유기화합물을 확보하는 것은 탄소중립 사회로 진입하기 위해 필수불가결하다. 이산화탄소(CO2)에서 탄소의 수를 2개, 3개로 늘리는 전환공정은 반응선택성과 효율이 높지 않아 공정의 후단부에 추가로 분리와 농축공정이 필요하다.

최근 구리 촉매를 사용하여 전기화학적 이산화탄소 전환을 통해 부탄올을 생산한 첫 보고가 있었으나 에틸렌, 에탄올, 프로판올 등의 C2, C3유기화합물에 대한 전환효율은 본 연구팀의 기존 연구 성과와 유사한 10~50% 정도를 보였다. 특히 부탄올에 대한 패러데이 전환효율은 0.056%로 확인이 매우 어려운 수준이다.

연구팀은 인화 구리(CuP2) 촉매를 통해 표면의 친산소성을 높여 반응 경로를 개선하여 전기화학반응 뿐만 아니라 자발적 화학반응이 일어날 수 있는 환경을 만들어 이산화탄소로부터 부탄올을 기존보다 70배 높은(3.868%) 생산효율을 확인하였다.

이러한 수치는 기존보다 약 10배 정도 큰 면적의 전극촉매를 사용하여 도출한 결과라는 점에 있어서 큰 의미가 있다.

이재영 교수는 “그동안 지구온난화의 유발물질로 알려진 이산화탄소를 고부가가치의 친환경 자원으로 활용할 수 있게 되었다”면서“향후 전극촉매의 대면적화와 공정 개선을 통해 미래 수소에너지인 부탄올을 대량생산하여 친환경 내연기관 자동차에 사용할 수 있기를 기대한다”고 말했다.

이재영 교수팀이 수행한 이번 연구는 지스트 연구원(GRI)의 지원으로 수행되었으며, 화학 기술 분야의 세계적인 학술지인 ‘미국화학회 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 2021년 5월 11일 온라인으로 게재되었다. 

베타뉴스 방계홍 기자 (chunsapan2@naver.com)
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