김지영 기자 orghs12345@HelloDD.com

입력 : 2020.03.10|수정 : 2020.03.10

KAIST가 금 촉매 사용을 효과적으로 줄일 수 있는 3차원 나노구조 촉매를 개발했다. 일산화탄소 생산량은 늘리면서 금 사용량도 줄일 수 있다는 장점이 있다.<사진=KAIST 제공>

최근 이산화탄소(CO2) 배출과 화석 연료 고갈이 심화됨에 따라 이산화탄소를 재활용해 유용한 화합물로 전기 화학적 전환하는 연구가 주목받고 있다. 이에 국내 연구진이 일산화탄소로 전환생산하는데 효과적이면서도 금 사용량을 줄인 3차원 나노구조 촉매를 개발하는데 성공했다.

KAIST(총장 신성철)는 전석우·오지훈 신소재공학과 교수팀이 이산화탄소의 전기화학 환원 반응 시 발생하는 물질이동의 한계를 극복해 값 비싼 금 촉매의 사용을 효과적으로 줄일 수 있는 3차원 나노구조 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다.

이 촉매 디자인은 이산화탄소에서 일산화탄소로의 전환율을 기존 나노 구조 촉매 대비 최대 3.96 배 높일 수 있다. 연구결과는 미국 국립과학원회보(PNAS) 4일자 온라인판에 게재됐다.

이산화탄소에서 일산화탄소로 전환하기 위해 성능이 우수한 금 촉매를 사용하지만 값이 매우 비싸 나노구조를 형성하는 등 방법으로 적은 양의 금을 활용하는 것이 이상적이다.

하지만 기존 연구에서 보고된 나노 구조는 복잡하게 엉킨 촉매 구조로 인해 수계 반응을 통해 생성되는 일산화탄소 기포가 반응 도중 쉽게 구조를 막아 활성 부위를 차단하고, 전해질을 통한 반응물의 이동도 어렵게 해 촉매의 생산성을 떨어뜨린다.

연구팀은 문제 해결을 위해 정렬된 3차원 나노 구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝(PnP)과 전기도금 기술을 이용했다. 10나노미터 크기의 나노 기공과 200~300나노미터 크기의 매크로 기공이 주기적으로 연결된 채널을 포함하는 3차원 계층 다공성 금 나노 구조를 대면적으로 제작했다. 
 

그 결과 높은 일산화탄소 생산 선택도를 달성했다. 동시에 주기적으로 배열된 매크로 기공 채널을 통해 효율적인 물질이동을 유도해 높은 질량당 전환율을 달성, 값 비싼 금의 사용을 효과적으로 줄일 수 있는 해결 방안을 제시했다. 

연구관계자는 "이산화탄소 환원 촉매 연구 뿐 아니라 유사 전기화학 분야에서 발생하는 물질이동 문제를 해결하고 효율적인 촉매활용을 위한 폭넓은 응용이 가능할 것"이라고 기대했다.