이산화탄소 자원화 혁신…이중 원자 설계로 금속촉매 한계 해결

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 이산화탄소(CO₂)를 산업 원료인 일산화탄소(CO)로 전환하는 기술은 합성연료·화학제품 생산의 핵심 공정으로 주목받고 있다. 하지만 CO₂는 화학적으로 매우 안정적인 분자여서 500~600도 이상의 고온이 필요하며, 반응 과정 중 촉매 성능이 쉽게 떨어진다.

한국화학연구원은 김현탁 박사팀이 경북대학교 김영진 교수 연구팀, 울산과학기술원(UNIST) 이근식 교수, 충남대학교 김상준 교수와 함께 금속을 덩어리가 아닌 원자 단위로 정밀 설계한 CO₂ 전환 이중 원자 촉매를 개발했다고 6일 밝혔다.

기존 전환 촉매는 니켈(Ni), 구리(Cu), 백금(Pt) 등 금속 나노입자를 주로 사용한다. 금속이 많아질수록 비용도 늘고 고온 장시간 운전에서 소결(금속 입자 뭉침) 현상으로 활성점이 줄어 성능이 떨어지기 쉽다.

보완책으로 금속을 탄소 기반 틀에 단일 원자(SAC)로 고정하는 연구도 확대됐지만, 열적·구조적 스트레스 조건에서 금속 원자가 이동, 응집하거나 성능이 흔들리는 문제가 남아 있었다.

연구팀은 촉매에 금속을 원자 단위로 정밀 분산해 사용량을 극소화했다. 같은 성능을 내면서도 금속 투입량이 매우 적어 훨씬 경제적이다. 성능 저하 문제는 질소가 도핑된 탄소 구조 안에 두 금속 원자(Cu–Ni)를 원자쌍 형태로 고정하는 합성법으로 해결했다.

이 구조는 CO₂를 빠르게 활성화하고 생성된 CO는 바로 분리시켜 불필요한 메탄(CH4) 생성 반응을 억제한다. 단단히 고정된 원자는 고온에서도 위치가 뒤바뀌지 않아 반응 성능을 오래 유지할 수 있다.

합성 공정도 진공 증착(ALD/CVD) 같은 고가 장비 의존도를 낮추고 용액 기반 혼합-건조-열처리로 구현되는 합성 전략으로 단순화했다. 동일 조건에서 원료 투입만 늘려도 13–15g 규모의 이중 원자 촉매(CuNi-DAC)를 반복 제조할 수 있어 대량 생산 가능성을 보여줬다.

실험 결과, 개발 촉매는 300~600도 범위에서 메탄 같은 불순물 없이 CO를 거의 100% 선택적으로 생성했다. 온도를 올렸다 내리는 가혹 조건 등에서 100시간 이상 운전 후에도 성능을 유지했다.

CO₂를 CO로 바꾸는 역 수성가스전환(RWGS) 반응은 열역학적(평형) 한계가 있어 600도에서도 전환율이 계속 올라가지 않는다. 이번 촉매는 실험 조건에서 이론적 한계(66%)에 근접한 64%의 전환율을 보였다.

이번 성과는 RWGS 공정의 핵심 촉매 후보로 기대된다. RWGS는 CO₂를 CO로 전환해 합성가스를 만들고 이후 메탄올, 합성연료, 플라스틱, 화학원료 등 다양한 공정으로 연결되는 'CO₂ 자원화 밸류체인'의 관문 공정이다.

상용 RWGS 공정에서는 니켈계 금속 나노입자 기반 촉매 활용 사례가 있으나 고온 장시간 운전 시 입자 뭉침 또는 메탄 생성이 동반될 수 있다. 이번 촉매는 이런 한계를 완화해 기존 촉매의 보완 및 고도화 가능성을 제시한다.

김현탁 박사는 "고온 열화학 조건에서도 CO₂를 선택적으로 CO로 전환하면서 반복 운전해도 원자 분산 구조를 유지함을 입증했다"고 설명했다.

이번 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재됐다. 화학연 김경민·UNIST 문진홍 학생연구원이 1저자로 참여했다.

jongseo12@news1.kr