KIST, 전기화학 반응 속 중간체·전환경로 규명…‘구리수산화물(Cu(OH)2) 나노와이어’ 제시
물과 이산화탄소를 반응시켜 ‘산업의 쌀’이라 불리는 에틸렌을 만드는 이른바 ‘e-케미컬’ 기술이 주목받고 있다. 하지만 이산화탄소가 에틸렌 같은 화합물로 전환되는 반응경로에 대한 이해는 여전히 부족하다. 고성능 촉매 시스템 개발의 발목을 잡고 있는 요인이다. 이런 가운데 국내 연구진이 에틸렌 생성 반응의 핵심적인 중간경로를 규명, 촉매 성능 향상의 돌파구를 마련했다.
한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 황윤정 박사 연구팀은 김우열 숙명여자대 교수 연구팀과 함께 이산화탄소가 환원돼 에틸렌이 합성되는 과정에서 구리 기반 촉매 표면에 흡착한 반응 중간체를 관찰하고, 실시간으로 거동을 분석하는 데 성공했다고 8일 밝혔다.
그동안 구리 기반 촉매는 이산화탄소를 전환해 상대적으로 간단한 일산화탄소나 메탄, 개미산뿐만 아니라 탄소가 두 개 이상인 에틸렌, 에탄올 등의 다탄소화합물도 합성할 수 있는 것으로 보고돼 왔다.
하지만 탄소-탄소 결합 반응의 주요 중간체와 경로에 대해서는 밝혀진 바가 없어 고부가가치 화합물을 선택적으로 합성하는 제어기술의 발전은 한계에 부딪혀 왔다.
연구진은 적외선분광학 분석법을 적용해 나노구리입자 촉매 표면의 이산화탄소 전환 반응에서 일산화탄소 외에 에틸렌이 되는 과정의 중간체(OCCO)와 메탄을 생성하는 중간체(CHO)를 각각 관찰했다.
그 결과, 일산화탄소와 에틸렌 중간체(OCCO)는 같은 시간대에 생성되는 반면, 메탄올 중간체(CHO)는 두 중간체에 비해 상대적으로 느리게 생성되는 것을 발견했다. 반응경로를 제어하면 촉매 표면에서 화합물 생성의 선택도를 더 향상시킬 수 있다는 가능성을 확인한 것이다.
이와 함께 탄소-탄소 결합을 촉진해 에틸렌 생성에 뛰어난 성능을 보이는 새로운 촉매 소재로 ‘구리수산화물(Cu(OH)2) 나노와이어’를 제시했다. 연구진은 구리수산화물 유래 촉매 표면에 일산화탄소가 흡착할 수 있는 다양한 자리가 존재하며, 이중 특정자리에 흡착한 일산화탄소가 빠르게 탄소-탄소 결합의 중간체를 생성한다는 것을 확인했다.
황 박사는 “추가 연구를 통해 그동안 논쟁의 대상이었던 탄소-탄소 결합 반응의 활성 자리 규명에도 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다”고 말했다.
