[로이슈 전여송 기자]
이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하는 CCU(Carbon Capture Utilization,이산화탄소 포집 및 활용 기술) 인류 난제 기술이 개발되어 주목받고 있다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대학교 이효영 교수 연구팀이 새로운 가시광촉매를 활용해 이산화탄소로부터 순도가 높은 부탄올을 생산하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

재단에 따르면 가시광촉매 가시광선 범위(400-700nm)의 빛을 흡수해 화학 반응을 촉진하고, 다양한 환경 문제를 친환경적이고 에너지 효율적으로 해결하는 데 유용한 물질이다. 부탄올이란 냄새가 강한 무색의 가연성 액체다. 4개 탄소 사슬을 갖고 있으며, 분자량은 74.123g/mol로 용매로도 사용할 수 있고 연료로도 사용할 수 있다.

지구 온난화의 원인으로 작용하는 이산화탄소를 포집, 활용, 저장하는 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 하지만 고부가가치 화합물 제조 기술의 한계로 인해 활용 기술 개발에는 큰 어려움을 겪고 있으며, 생산 비용 역시 부담으로 작용하고 있다.

고부가가치 화합물 생산에서 가격을 결정하는 것은 탄소 사슬이다. 이 사슬이 길어질수록 가격이 높아진다. 고탄소 개수가 늘어날수록 탄소-탄소 커플링 반응에 더 많은 에너지가 소비되고 부산물이 생겨나는 만큼, 고비용 분리정제 기술이 요구되기 때문이다.

따라서 탄소 사슬 길이가 길고 동시에 부산물의 정제 및 분리가 필요치 않은 1개 화합물만을 선택적으로 생산할 수 있는 기술 개발이 가장 중요하다.

이에 연구팀은 이산화탄소를 부탄올과 같은 유용한 자원으로 전환하는 광촉매 방법에 효율성과 선택성을 높일 수 있는 결정면 엔지니어링 방법을 결합해 이산화탄소 분자로부터 탄소 사슬이 4개인 부탄올을 최대 60%의 선택성으로 생산하는 데 성공했다.

광촉매의 결정면 엔지니어링이란 표면 원자 배열에서 발생하는 독특한 결정면에 의존하는 특성을 활용해 성능을 향상시키는 방법이다.

먼저 이산화탄소 환원에 유망한 광촉매지만 불안정성으로 한계가 있는 산화세륨(111, 이하 CeO2)과 전하 분리 특성이 뛰어난 산화구리(100, 이하 Cu2O)를 결합해 새로운 가시광촉매를 구성했다.

산화세륨(111, CeO2)이란 희토류 금속으로 팔면체 결정 구조를 가지며, 밴드갭이 3.2 eV으로 광전도성 반도체 물질이다. 산화구리(100, Cu2O)란 정육면체 결정 구조를 가지며, 밴드갭이 2 eV으로 광전도성 반도체 물질이다. 가시광 흡수가 가능하다.

연구팀은 촉매 성능에 영향을 미치는 Cu2O 결정면을 정밀 제어해 부탄올에 대한 선택성을 향상시켰다.

이효영 교수는 이번 연구에 대해 “광촉매 성능 향상을 위한 계면 효과를 이해하는 명확한 관점과 지속가능한 화학 생산을 위한 귀중한 통찰력을 제공한다”며, “온난화 주범인 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 상품화함으로써 인류 난제를 해결할 수 있는 탄소 중립 실현에 한 걸음 다가갈 것으로 기대된다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 사업지원으로 진행된 이번 연구 결과는 국제 과학 저널 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)’에 2025년 2월 3일 온라인 게재됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr