성균관대·KIST 등과 공동 연구…상온·상압서 이소프로필알코올 생산
Ce(OH)x/Ni2P 촉매 개발…두 가지 반응 경로를 조립 라인처럼 연결
가톨릭대학교는 최근 김준영 바이오메디컬화학공학과 교수 연구팀이 성균관대학교, 한국과학기술연구원(KIST), 전남대학교, 연세대학교-KIST 융합연구원과 함께 이산화탄소를 이소프로필알코올(2-프로판올)로 직접 전환하는 고효율 촉매 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
의약품과 반도체 산업의 핵심 용매인 이소프로필알코올을 이산화탄소로부터 직접 합성하기 위해서는 복잡한 탄소 중간체를 선택적으로 결합해야 해 반응 속도와 에너지 효율 확보가 어려웠다. 기존 연구들은 이산화탄소 과포화 조건을 필수적으로 요구해 상온·상압 환경 상용화에 한계가 있었다.
연구팀은 수산화세륨(Ce(OH)x)을 인화니켈(Ni₂P) 표면에 결합한 'Ce(OH)x/Ni₂P 촉매'를 개발해 이 문제를 해결했다. 나노미터 크기의 표면에서 전자 재분포를 유도해 두 가지 반응의 충돌을 없앴다. 세륨이 인접한 영역은 특정 반응 경로(OCHO)를 안정화하는 저원자가 활성점(Niδ+)을 형성하고, 나머지 인화니켈 영역은 기존 경로(COOH)를 유지하도록 설계해 효율을 높였다.
제어된 두 반응 경로가 조립 라인처럼 이어지면서 탄소 중간체들을 결합하는 알돌 축합 및 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 유사 탄소 삽입 반응이 발생, 이소프로필알코올 생성을 촉진했다. 또 상온·상압 환경에서 -0.02 V(vs. RHE) 전위만으로 21.0%의 파라데이 효율과 17.3%의 에너지 효율을 달성했으며, 48시간 연속 구동에도 성능 저하가 없었다.
연구진은 이어 실시간 분광분석 장비와 밀도범함수이론(DFT)을 활용해 반응 메커니즘을 증명했다. 1일 100t 생산을 가정한 기술경제성 분석 결과, 새 공정이 기존 열촉매 공정 대비 t당 약 737달러의 비용을 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
김 교수는 "이번 연구는 나노 단위의 전자적 불균일성을 이용해 반응 경로를 제어하는 전기촉매 설계 원리를 제시했다는 데 의의가 있다"며 "상온·상압 공정을 통해 에너지를 절감한 만큼 재생전력 기반 '파워 투 케미컬' 산업화와 국가 탄소중립 기술 경쟁력 강화에 기여할 수 있을 것"이라고 전했다.
한편 김 교수는 이번 연구에서 △연구방법론 설계 △실험 및 정량 분석 △기술경제성 평가 등을 맡아 공동 제1저자로 이름을 올렸다.
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연구 결과는 'Interfacial Electronic Polarization–Induced Bifurcated CO₂ Electroreduction Pathways to 2-Propanol on Ce(OH)x/Ni₂P'라는 제목으로 'Applied Catalysis B: Environment & Energy'(IF=19.7)에 게재됐다.
