▲ 이산화탄소 환원에 미치는 양이온의 영향을 알아 볼수 있다. (左)부터 은전극을 이용한 이산화탄소 환원 전류 및 생성물 .

국내 연구진이 이산화탄소(CO₂) 화학연료화를 위한 전기화학공정의 효율을 낮추는 문제점을 실험·이론적으로 규명하는데 성공했다.

한국화학연구원(원장 이규호)은 25일 로렌스버클리국가연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)의 Alexis T. Bell 교수 및 인공광합성공동연구센터(Joint Center for Artificial Photosynthesis, JCAP) 연구자들과의 공동연구를 통해, CO₂를 화학원료로 바꾸기 위한 전기화학적 전환 기술의 효율을 높이는 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.

지난 2015 파리 기후변화 협약에 따라 CO₂감축 요구가 늘어나면서, 미국 유럽 등 선진국에서 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이에 따라 전압을 걸면 CO₂가 촉매반응을 일으키는 전해시스템을 사용해 석유화학 공업의 기본 원료인 메탄, 에틸렌, 에탄올, 또는 일산화탄소 등으로 전환하는 시스템의 연구가 활발하지만 기존의 전해시스템은 CO₂에서의 물질 전환 효율이 낮아 이를 개선해야 했다.

그동안 전해질 속 알칼리 금속 양이온의 크기가 효율에 영향을 미칠 수 있다는 사실이 알려진 바 있으나, 원인규명이 이뤄지지 못했다.

이에 연구팀은 전해질에 포함된 알칼리 금속 양이온의 종류에 따라, CO₂ 전환 효율이 달라지는 현상을 실험적·이론적으로 최초로 규명했다.

CO₂의 전기화학적 전환을 위해서는 전극(촉매)가 필요한데, 일반적으로 금, 은, 구리 등이 사용된다. 금과 은 촉매를 쓸 경우 CO₂로부터 일산화탄소와 수소를 생성할 수 있고, 구리 촉매를 쓰면 탄화수소(메탄, 에틸렌)와 알코올(에탄올)을 생성할 수 있는데, 전해질의 알칼리 금속 양이온의 크기에 따라 최종 생성물질의 생산량이 달라지는 것을 확인했다.

전해질에 포함된 알칼리 금속 양이온(리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs))의 크기가 증가할수록 가수분해 현상을 활성화하며, 이는 전극 표면의 pH가 상승하는 것을 완화해 CO₂ 환원 효율을 높일 수 있다.

구체적으로는, 구리 촉매를 이용했을 때 큰 양이온인 세슘(Cs)을 선택할 경우 작은 리튬(Li) 양이온을 선택한 경우보다 동일 전압에서 40배 많은 에틸렌과 에탄올 생산량을 나타냈다. 은 촉매의 경우, 세슘(Cs) 양이온을 사용하면 리튬(Li) 양이온을 사용한 경우보다 동일 전압에서 약 4배 높은 일산화탄소 생성량을 나타냈다.

화학연 권영국 박사는 “전기화학 촉매반응에서 양이온이 미치는 영향을 근본적으로 이해할 수 있게 되었으며, 특히 전기화학을 이용한 CO₂전환 및 이를 통한 연료 생성 기술의 상용화를 크게 앞당길 수 있게 되었다”고 연구의의를 밝혔다.

한편 이번 연구결과는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 9월14일자에 게재됐다.