울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 권영국 교수팀은 구리에 원자 수준의 틈을 제어하는 기술을 적용, 이산화탄소와 질산염을 고부가가치의 요소(Urea)로 전환하는 새로운 촉매 소재를 개발했다고 8일 밝혔다.

세계는 유례없는 고온 현상과 폭설 등 에너지 및 환경 문제에 직면해 다양한 정책과 해결 방안을 설계해야 하는 상황이다. 이런 상황에서 이번 연구는 온실가스인 이산화탄소(CO2)와 미세먼지 원료인 질산염(NO3-)을 낮추고, 농과 각종 산업에 필수적인 요소(Urea)를 생산할 수 있는 가능성을 제시해 주목된다.

UNIST에 따르면 권 교수팀은 먼저 에너지화학공학과 송현곤 교수팀과 리튬화 공정을 통해 촉매 내부의 원자 수준 틈을 구현했다. 또 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 원자 수준의 틈이 생성되는 것을 실시간 투과 전자 현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy) 분석을 통해 관측하고 규명했다.

이를 통해 구리 나노입자의 두 면 사이에 원자 수준의 틈을 도입해 이산화탄소와 질산염의 전기 화학적 공동 환원 반응에 이상적이고 효율적인 촉매를 생성했으며, 해당 촉매를 통한 요소 합성의 전류 효율과 생산 속도가 크게 향상됨을 보고했다.

생성된 구리 촉매 가운데 틈의 거리가 6옹스트롬(A)에 가까운 구리(6A-Cu) 촉매는 기존의 구리 촉매에 비해 약 17배의 요소 생산 속도와 19배가 넘는 요소 전류 밀도의 성능 향상을 보였다. 해당 수치는 현재까지 학계에 보고된 내용 중 최고 수치다. 아울러 50시간 안정성 시험을 통과해 안정성에 대한 검증도 완료됐다.

또 연구팀은 밀도범함수이론(Density Functional Theory, DFT) 계산을 통해 개발된 촉매의 빠른 반응 속도는 구리 표면의 상단에서 하단으로의 전자 밀도 이동에 따른 것이며, 이산화탄소와 질소의 화합물인 C-N 결합의 전이 상태를 안정화하고 낮은 열역학 장벽에서 기인했다는 것을 밝혔다.

권영국 에너지화학공학과 교수는 "전기화학적 이산화탄소·질소화합물의 동시 환원 분야가 초기 연구 단계인 만큼, 기초 연구를 통해 분야의 이해를 넓히는 동시에 촉매 시스템에 대한 연구를 함께 진행하는 것은 기술의 상업화에 필수적"이라며 "현재 수입에 의존하는 요소를 국내에서 자체 생산할 수 있는 원천 기술을 발전시켜 탄소 중립에 기여하겠다"고 말했다.

제 1저자인 신석민 석박통합과정 연구원은 "기존의 구리 촉매는 요소의 선택도가 낮아 경쟁 반응을 억제하며 높은 선택도를 보이는 촉매의 개발이 필요했다"며 "구리 촉매에 원자 수준의 틈을 도입해 고성능·고내구성 요소 생산 촉매를 개발했다"고 말했다.

이번 연구는 에너지·환경과학 분야의 세계적 권위지 'Energy & Environmental Science'에 2023년 3월 28일 자로 온라인 게재됐고, Inside Back Cover 논문으로 선정돼 5월 17일에 출판됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구, 산업통상자원부 에너지기술개발사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원을 받아 수행됐다.