고려대 연구진이 이산화탄소를 에탄올과 같은 고부가 가치 물질로 환원하는 과정에서 나타나는 구리 합금 촉매의 표면 변화 메커니즘을 세계 최초로 규명했다.

고려대는 신소재공학부 남대현 교수팀과 KU-KIST 융합대학원 백서인 교수팀이 이러한 성과를 거뒀다고 오늘 5일(화) 밝혔다. 이번 연구에는 서울대 재료공학부 주영창 교수, 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀도 참여했다. 연구 결과는 저명 국제 학술지(Nature Catalysis)에 지난달 14일(월)자로 게재됐다.

이산화탄소를 유용한 화합물로 바꾸는 기술은 탄소 중립 시대의 도래로 점차 그 수요가 커지고 있다. 특히 이산화탄소를 고부가 가치 물질로 환원시키는 과정에선 구리 촉매가 핵심 역할을 한다.

다른 금속을 섞은 구리 합금 촉매는 생성물의 선택성을 높이는 데 효과적이다. 그러나 반응 중 촉매 표면 구조가 달라지는 재건 현상이 발생하면 설계와 실제 구조 간 차이로 성능 예측이 요원해진다. 합금 촉매의 경우에는 변화가 더 복잡하게 일어나 원인 규명이 힘들었다.

연구팀은 이러한 현상의 원인 규명을 위해 구리 합금 촉매를 설계하고, 고전류 조건에서 표면 구조의 변화를 정밀 분석했다. 그 결과 구리–은 촉매에서는 표면에 구리 나노 입자가 새롭게 형성된 반면 구리–아연 촉매는 처음 설계된 구조를 유지하는 차이를 보였다. 두 금속 모두 일산화탄소 생성 능력은 비슷했지만, 표면 구조 변화 방식에 따라 최종 생성물은 달랐다. 구리–은 촉매에서는 에탄올이 주로 생성됐고, 구리–아연 촉매에서는 일산화탄소가 더 많이 만들어졌다.

남대현 교수는 “이번 연구는 예측이 어려웠던 재건 현상을 체계적으로 규명한 최초의 사례”라며 “합성 조건에만 의존하던 기존의 촉매 설계에서 나아가 실제 반응 환경에서의 변화까지 고려한 새로운 방향을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”라고 설명했다.