한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 전석우 신소재공학과 교수와 오지훈 교수팀이 이산화탄소(CO₂) 전기화학 환원 반응 시 발생하는 물질이동 한계를 극복해 값비싼 금 촉매 사용을 줄일 수 있는 3차원 나노구조 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다.
연구팀은 두 가지 크기 기공을 지닌 계층 다공성 나노구조로 CO₂에서 일산화탄소(CO)로의 전환율을 기존 나노 구조 촉매 대비 최대 3.96배 높이는 촉매 디자인을 제시했다.
금은 CO₂에서 CO로의 전환 반응 촉매 중 가장 우수한 성능을 보이지만 값이 비싸 실제 적용을 위해서 나노 구조를 활용해 적은 양을 활용하는 것이 이상적이다.
기존 나노 구조는 복잡하게 엉킨 촉매 구조 탓에 수계 반응을 통해 생성되는 CO 기포가 반응 도중 쉽게 구조를 막는 문제가 있다. 활성 부위를 차단하고 전해질을 통한 반응물 이동도 어렵게 해 촉매 생산성을 떨어뜨린다.
연구팀은 10나노미터(㎚) 크기, 200~300㎚ 크기 매크로 기공이 주기적으로 연결된 채널을 만들었다. 3차원 나노 구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝(PnP)과 전기 도금 기술을 활용했다. 이를 포함하는 3차원 계층 다공성 금 나노 구조를 대면적으로 제작하는데 성공했다.
계층 나노 구조 촉매는 나노 기공을 통해 높은 CO 생산 선택도를 달성했다. 동시에 효율적인 물질이동을 유도해 높은 질량 당 전환율을 달성했다. 값비싼 금 사용을 효과적으로 줄일 수 있는 해결 방안이다.
이 기술은 CO₂ 환원 촉매 연구뿐만 아니라 유사 전기화학 분야에서 발생하는 물질이동 문제를 해결하고 효율적인 촉매 활용을 위한 폭넓은 응용이 가능할 것으로 기대된다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
