온실가스인 이산화탄소를 환원시켜 연료로 만드는 기술은 지구온난화 문제를 해결할 수 있는 기술로 주목받고 있으며, 이를 위해 열역학적으로 안정적인 이산화탄소를 성공적으로 변환시킬 수 있는 촉매를 개발하는 것이 중요하다.
아연 촉매는 금·은 등 귀금속에 비해 2만 분의 1에 불과한 저렴한 가격 경쟁력을 갖고 있지만, 부족한 성능으로 인해 많은 주목을 받지는 못했다.
공동연구팀은 화학 반응률을 높일 수 있도록 아연 촉매의 표면적을 최대한 넓힌 뒤 전기화학적 증착법을 통해 아연을 표면에 도금하는 방법으로 육각형 형태의 아연 촉매를 개발했다.
육각형이라는 구조적 특성은 효율적인 이산화탄소 변환을 가능하게 했으며, 선택적으로 일산화탄소가 생성되고 부산물로 수소가 발생했다. 일산화탄소와 수소는 합성가스(syngas)로서 탄화수소 연료를 생산할 수 있는 유용한 원료이다.
연구팀은 육각형 아연 촉매에 가하는 전압에 따라 일산화탄소와 수소의 생성 비율을 다양하게 조절할 수 있음을 확인했다.
또 일산화탄소와 수소를 각각 잘 생성하는 아연의 결정면이 Zn(101)과 Zn(002)임을 밀도범함수이론(density functional theory) 계산을 통해 이론적으로 밝혀내 향후 이 두 면의 비율을 조절함으로써 원하는 공정이나 생성물의 비율을 얻을 수 있음을 규명했다.
육각형 아연 촉매는 이산화탄소 변환의 반응 선택성을 의미하는 페러데이 효율(Faradaic efficiency)에서 95%를 기록했고, 이 성능이 30시간 이상 지속돼 기존 귀금속을 포함한 모든 일산화탄소 생성 촉매 가운데 가장 긴 시간 동안의 안정성을 보였다.
연구팀은 태양에너지와 같은 신재생에너지로부터 전기에너지를 얻고, 이산화탄소를 환원시켜 일산화탄소 및 수소를 생성한 뒤 이 합성가스를 피셔-트롭쉬 반응에 직접 이용함으로써 추가적인 이산화탄소 배출 없이도 높은 에너지 밀도를 가진 탄화수소 연료 생산이 가능해질 것이라고 설명했다.
KAIST 생명화학공학과 원다혜 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 화학 분야 학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 온라인 판(6월 28일자)'에 실렸다.