▲ 국내 연구진이 고온의 열화학 반응에서 이산화탄소를(CO₂)를 일산화탄소(CO)로 안정적으로 전환하는 이중 원자 구조 금속 촉매를 개발했다.

국내 연구진이 이산화탄소 자원화 핵심 공정의 효율을 높일 수 있는 차세대 촉매 기술을 제시했다. 고온 반응 환경에서도 안정적으로 작동하는 촉매 설계 전략이 제시되면서 탄소중립 기반 화학·연료 생산 공정의 기술 경쟁력 강화가 기대된다.

한국화학연구원은 김현탁 박사 연구팀이 경북대학교, 울산과학기술원, 충남대학교 연구진과 공동으로 고온 열화학 반응에서 이산화탄소(CO₂)를 일산화탄소(CO)로 안정적으로 전환하는 이중 원자 구조 금속 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

CO₂를 산업 원료로 전환하는 기술은 합성연료와 화학제품 생산의 핵심 공정으로 주목받고 있다. 특히 CO₂를 CO로 전환하는 RWGS(역 수성가스전환) 반응은 합성가스를 생산하는 관문 공정으로, 이후 메탄올·합성연료·플라스틱 등 다양한 화학공정으로 연결되는 탄소자원화 밸류체인의 핵심 단계로 평가된다.

다만 CO₂는 화학적으로 매우 안정적인 분자로, 기존 공정에서는 500~600℃ 이상의 고온 조건이 필요하다. 또한 기존 니켈(Ni), 구리(Cu), 백금(Pt) 기반 금속 나노입자 촉매는 장시간 고온 운전 시 입자들이 서로 뭉치는 소결현상으로 활성점이 감소해 성능이 저하되는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 금속을 입자가 아닌 원자 단위로 정밀하게 설계한 이중 원자 촉매 구조를 적용했다. 질소가 도핑된 탄소 구조 내부에 구리와 니켈 원자를 쌍 형태로 고정하는 방식(N₂Cu–N₂–NiN₂)을 구현해 고온 환경에서도 구조적 안정성을 유지하도록 설계했다.

이 구조는 CO₂ 분자를 빠르게 활성화하면서 생성된 CO는 즉시 분리시키고, 메탄(CH₄) 등 불필요한 부산물 생성 반응을 억제하는 특징을 갖는다. 또한 원자가 탄소 구조 내부에 안정적으로 고정돼 고온 반응 조건에서도 구조 변형 없이 촉매 성능을 장시간 유지할 수 있다.

촉매 합성 공정 역시 상용화 가능성을 고려해 단순화했다. 진공 증착(ALD·CVD)과 같은 고가 장비 대신 용액 기반 혼합·건조·열처리 공정을 활용해 촉매를 제조했으며, 동일 조건에서 원료 투입량을 늘리는 방식으로 13~15g 규모의 촉매를 반복 생산하는 데 성공해 대량 합성 가능성도 확인했다.

성능 평가 결과, 개발된 촉매는 300~600℃ 반응 조건에서 메탄 등 부산물 없이 CO를 거의 100% 선택적으로 생성했다. 또한 온도를 반복적으로 변화시키는 가혹 조건에서도 100시간 이상 안정적인 반응 성능을 유지했다. CO₂ 전환율은 실험 조건에서 이론적 평형 한계(66%)에 근접한 64% 수준을 기록했다.

연구팀은 이번 촉매가 RWGS 기반 CO₂ 자원화 공정의 핵심 촉매 후보가 될 것으로 기대하고 있다. 기존 니켈계 촉매가 고온 장시간 운전에서 입자 응집과 메탄 생성 문제를 보였던 것과 달리, 이번 촉매는 이러한 한계를 보완할 수 있는 가능성을 제시했다는 평가다.

김현탁 박사는 “Cu-Ni 이중 원자 구조를 정밀 설계해 고온 열화학 조건에서도 CO₂를 선택적으로 CO로 전환하면서 반복 운전에서도 원자 분산 구조가 유지되는 것을 확인했다”고 설명했다.

이영국 원장은 “이번 연구는 원자 촉매의 안정성 한계를 극복하고 대량 합성 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “탄소중립 실현을 위한 CO₂ 자원화 기술 경쟁력 확보에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 국제학술지 Nature Communications(IF 15.7)에 게재됐다. 연구에는 김경민 화학연 학생연구원과 문진홍 UNIST 학생연구원이 제1저자로 참여했으며, 김현탁 화학연 박사와 김영진 경북대 교수, 이근식 UNIST 교수, 김상준 충남대 교수가 교신저자로 참여했다. 연구는 화학연 기본사업 지원으로 수행됐다.