소수성 제어를 통해 전해질 범람 방지하는 은 나노 촉매 개발

- 은 나노 촉매 개발로 CCUS 상용화 기대

상용 은 촉매와 합성된 은 촉매의 범람 정도 비교 모식도. (자료제공: KIST)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀이 KIST 반도체기술연구단 황규원 박사팀, LG화학 노태근 박사 연구팀과 공동연구를 통해 이산화탄소 포집 장치의 전해질 범람을 억제할 수 있는 소수성 지질 유기물이 표면에 결합된 은 나노 촉매를 개발했다고 7월 15일 밝혔다. 

은 촉매는 CO₂를 플라스틱 등 석유화학제품의 원료인 일산화탄소로 전환하는 데 탁월한 성능을 보여 가장 활발히 연구되고 있다.

연구팀은 전해질 범람 문제를 해결하기 위해 은 나노입자 표면에 지질 유기물을 결합해 물 분자와 쉽게 결합하지 않는 소수성을 지니면서 주변 반응 환경을 제어할 수 있는 새로운 은 촉매를 개발했다. 합성된 은 나노입자는 약 7나노미터(nm 10억분의 1m) 크기의 정이십면체 구조를 가지며 입자 표면에 소수성 지질 유기물이 균일하게 결합해 있다. 또한, 기존 단위 면적당 1mg의 촉매량보다 적은 0.3mg으로도 높은 CO₂ 전환 활성을 보였다.

연구팀이 개발한 은 촉매는 균일한 소수성을 지니고 있어 전극 표면에 물이 과도하게 축적되는 것을 방지해 전해질 범람을 억제함으로써 과전압 조건에서도 CO₂ 전환 성능을 유지하고 내구성을 높일 수 있다. 연구팀은 CT 촬영을 통해 전압이 높아지는 조건에서도 전해질의 범람이 줄어드는 것을 관찰했다. 또한, 실제 3.4V의 전압 조건에서 기존 촉매는 약 81.5%의 일산화탄소에 대한 선택도와 12시간의 성능 유지를 보였지만, 새롭게 합성된 촉매는 약 95.5%의 선택도와 50시간 이상의 성능을 유지했다.

이번에 개발된 촉매를 활용할 경우, 적은 촉매량으로 장기간 전기화학적 CO₂ 전환이 가능하다는 점에서 촉매 비용을 절감하고 교체 주기를 늘려 CCUS를 통한 일산화탄소의 생산비용이 낮아질 것으로 기대된다. 공동연구팀은 석유화학 공정 등 대규모 생산시설에 적용할 수 있도록 전기화학적 CO₂ 전환 실증 시스템 적용 연구를 수행할 예정이다.

오형석 KIST 책임연구원은 “전기화학 시스템에서 내적, 외적 요인을 모두 고려한 촉매 합성 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “LG화학과 함께 진행된 이 연구 성과는 향후 전기화학적 CO2 전환 기술의 실증 및 상용화를 앞당길 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 Carbon to X 사업, 창의형 융합연구사업으로 수행됐다. 연구결과는 국제학술지 ‘Nature Communications’에 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹코리아)=이광호 ]