고려대 화공생명공학과 문준혁 교수 연구팀이 국립타이완대학교 보이유(Bor-Yih Yu) 교수 연구팀과 함께 상온에서 메탄을 선택적으로 에탄올로 전환하는 고성능 전기화학 촉매 시스템을 개발했다.

연구팀은 여러 금속 원소로 구성된 고엔트로피 산화물(High Entropy Oxide, HEO)을 활용해 메탄을 더욱 효율적으로 활성화할 수 있는 촉매 구조를 설계했다.

이 촉매는 코발트(Co(기화학 반응에서 촉매로 활용되며 높은 전도성과 안정성을 지는 금속 원소)를 선택적으로 많이 포함하고 있어 코발트(Co) 중심의 단일원자 활성을 유도한다. 이를 통해 기존보다 정밀한 메탄 전환 제어와 높은 활성도를 확보할 수 있다는 것이 특징이다.

연구팀은 이 촉매를 유동식 전기화학 셀(flow cell)에 적용해, 연속 반응 조건에서 약 26mmol/gcat/h 수준의 에탄올 생산 속도를 달성했다. 이에 더해 100시간 이상의 장기 실험에서도 결정 구조와 금속 산화 상태가 안정적으로 유지되면서 높은 내구성을 입증했다.

연구팀은 공정 모의실험을 통해 기술의 실현 가능성도 검토했다. 기술경제력 분석(TEA)에서는 전해조 단가와 전력 비용이 약 25％ 절감될 경우 생산 단가를 낮출 수 있음을 확인했다. 또한 생애주기환경평가(LCA)에서는 기존 바이오 및 석유 기반 에탄올 생산 공정보다 탄소 배출량이 최대 90％까지 줄어드는 효과가 나타났다.

문 교수는 "본 연구 결과는 고엔트로피 소재 내부에 단일원자 활성점을 성공적으로 구현했다는 점에서 큰 의미가 있다"며 "이러한 접근은 메탄 전환뿐 아니라 다양한 연료 전환 및 산화 반응에도 확대 적용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 재료·에너지 분야에서 귄위있는 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials(IF:27.4)'에 지난 23일 정식 출판됐으며, 저널의 Front Cover(Inside) 논문으로도 선정됐다.