울산과학기술원(UNIST)은 이산화탄소를 고부가가치 화학물질인 포름산으로 전환하는 초저전압 전기화학시스템을 개발했다고 12일 밝혔다.

조승호 신소재공학과 교수와 권영국·이재성 에너지화학공학과 교수팀이 개발한 이 시스템은 기존 대비 전력 소모를 1/4 수준으로 낮추고 생산량은 3배 가까이 증가시켰다.

이산화탄소에 전기를 가해 포름산으로 전환하면 온실가스 감축과 고부가가치 물질 생산을 동시에 달성할 수 있다. 그러나 기존 시스템은 짝반응인 '산소 발생 반응'에 전체 전력의 70~90%가 소모되고 구동 전압이 2V까지 올라가는 문제가 있었다.

연구팀은 산소 발생 짝반응을 포름알데히드 산화(FOR) 짝반응으로 교체한 새로운 시스템을 구현했다. 이를 통해 0.5V의 낮은 전압에서도 양쪽 전극에서 높은 효율로 포름산을 생산할 수 있게 됐다. 구동 전압이 1/4 수준으로 낮아지면서 전력 소모도 그만큼 감소한다.

포름산 총생산 속도는 0.39㎜ol/㎝²·h를 기록해 기존보다 3배 가까이 많은 양을 생산했다. 짝반응 전극에서도 산소 대신 포름산이 생성되기 때문이다.

이런 시스템 개발은 포름알데히드 산화 반응에 필수적인 구리·은 복합 촉매를 새롭게 만든 덕분에 가능했다. 기존 촉매는 활성이 급격히 떨어지는 한계가 있었다.

새 촉매를 활용한 포름알데히드 산화 반응은 암모니아, 과산화수소, 수소를 전기 없이 만드는 친환경 자가 구동 시스템 개발에도 적용할 수 있다. 실제로 연구진은 이 반응을 질산염 환원 반응, 산소 환원 반응, 수소 발생 반응과 각각 결합해 암모니아, 과산화수소, 수소를 전기와 오염물질 배출 없이 생산했다.

조승호 교수는 "이산화탄소 전환 기술의 가장 큰 비효율을 없애고, 한정된 전기 에너지를 최대한 활용할 수 있는 기술"이라며 "이산화탄소 전환 외에도 다양한 친환경 화학 공정 기술에 쓸 수 있는 만큼 환경 문제와 자원 순환 문제 해결에 기여할 것"이라고 밝혔다.

이번 연구에는 김효석 신소재공학과 연구원, 장원식 박사, 이진호 박사, 이호정 에너지화학공학과 연구원이 제1저자로 참여했다.

연구 결과는 종합 화학 분야 저명 국제 학술지 '앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)'에 10월 1일 자로 온라인 공개됐으며, 표지 논문으로도 선정돼 정식 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 UNIST 이노코어(InnoCORE) 프로그램과 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.