▲ 김형준 한국과학기술원 박사.

이산화탄소 전환용 고성능 촉매 설계 기술이 개발돼 향후 온실가스 전환 및 감축 분야에서 새로운 원천소재 개발이나 사용에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

미래창조과학부는 김형준 한국과학기술원 연구팀이 최근 최첨단 양자 역학 시뮬레이션을 이용해서 ‘온실가스를 다른 유용한 물질로 전환할 수 있는 고효율 전기화학 촉매 설계 기술’을 개발했다고 11일 밝혔다.

연구결과는 화학분야의 세계적인 학술지인 ‘Journal of the American Chemical Society’에 7월25일 온라인으로 게재됐다.

양자역학 시뮬레이션은 양자역학을 이용해서 화학반응을 원자 수준에서 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 방법이다.

연구팀은 고성능 슈퍼컴퓨터(KISTI 타키온)를 활용해 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는데 필요한 새로운 촉매를 설계하고, 이를 활용해 높은 효율로 전환할 수 있음을 양자역학 시뮬레이션을 통해 증명했다.

향후 이를 기반으로 다양한 전기화학 분야에서 고성능 촉매를 설계·개발할 수 있을 것으로 예상되고 있다.

현재 환경문제로 인해 온실가스(주로 이산화탄소)를 다양한 방법으로 유용한 물질로 전환해 재활용할 수 있는 기술에 대한 요구가 커지고 있으나 전환 효율이 낮아 상용화에 한계가 있다.

이러한 상황에서 기본적으로 효율이 높은 전기화학적 전환 기술에 많은 관심이 기울여져 왔으며 고성능·고효율의 전기화학 촉매를 개발하기 위한 시도가 계속돼 왔다.

반면에 이산화탄소 전환에 필요한 에너지를 상용화가 가능한 수준으로 낮출 수 있는 촉매 후보는 아직 개발되지 않고 있다.

연구팀은 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 새로운 고성능·고효율의 촉매를 설계하기 위해 기존 촉매로 사용되고 있는 은(Ag) 표면에 34종의 다양한 원소를 미세하게 첨가해 이산화탄소가 일산화탄소로 전환되는데 필요한 에너지를 양자역학 시뮬레이션을 통해 조사했다.

그 결과 황(S) 원소가 함유된 촉매가 사용될 경우, 은만 촉매로 사용해 이산화탄소를 일산화탄소로 전환할 때 필요한 전압(0.9V)보다 0.5V 이상 줄일 수 있음을 확인했다.

이러한 결과는 활성점(화학반응이 이루어지는 위치)에서 특별한 전자구조가 반응 중간물질을 선택적으로 안정화시켜 반응에 필요한 에너지를 효과적으로 낮춘 것으로 분석됐다.

연구진은 “이번 성과는 주로 금속들을 조합해 경험적으로 이뤄지던 전기화학 촉매 개발 분야에 새로운 설계 방향을 제안했으며, 향후 온실가스 전환 및 감축 분야에서 새로운 원천소재 개발이나 사용에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

▲ 이산화탄소의 고효율 전기화학 전환이 가능한 촉매 설계안과 기본 작용 기작을 나타내는 모식도.