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쓸수록 더 강해지는 인공광합성 촉매 개발…KIST, 불순물 이용한 자가활성화 촉매

2019-10-08박응서 기자

기존 시스템에서 금속 불순물에 의한 비활성화 모식도와 성능 평가 결과(위)와 새로 개발한 금속 불순물을 이용한 자가 활성화 시스템 모식도와 성능 평가 결과(아래). 사진제공 KIST

한국과학기술연구원(KIST) 국가기반기술연구본부 민병권 본부장, 황윤정, 김찬연 박사 연구팀이 쓸수록 더 강해지는 인공광합성 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

연구진은 그동안 오염원으로만 여겨지던 수용액 내 금속 불순물을 촉매 성능을 향상시키는데 역으로 이용해, 이산화탄소로부터 일산화탄소를 안정적으로 생산할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다.

지구 온난화 주범으로 알려진 이산화탄소를 전기화학적으로 유용한 화합물로 전환하는 반응은 인공광합성을 구현하는 핵심 기술이다. 또 이산화탄소를 자원화할 수 있는 장점도 갖고 있다. 이를 위해 금과 은 같은 고가의 소재를 이용해 다양한 종류의 촉매를 개발하고 있다.

하지만 이러한 귀금속 촉매들은 전해질로 사용되는 물에 존재하는 아주 적은 양의 금속 불순물이 달라 붙으면 촉매 성능이 급격하게 떨어지는 문제점을 지니고 있었다. 약 0.05ppm(백만분의 일) 수준의 극미량의 철 이온 불순물 때문에 1시간 만에 귀금속 촉매 성능이 80% 이상이 감소한다.

기존에는 불순물을 피하고자 고도로 정제된 증류수를 사용했다. KIST 민병권 본부장 연구팀은 촉매 안정성에 심각한 원인이 되는 수용액 내 금속 불순물을 오히려 촉매 성능을 높이는 활성점으로 이용하자는 역발상으로부터 실제 반응을 하면 할수록 오히려 성능이 점점 더 향상되는 새로운 촉매를 개발했다.

새로운 촉매는 질소를 넣은 탄소 소재를 촉매 전극으로 사용했다. 이렇게 만들어진 전극에서는 반응 도중 물속에 존재하는 금속 불순물 이온들이 질소가 첨가된 탄소 소재와 결합해 일산화탄소 생성 성능을 더욱 향상시키는 역할을 한다. 연구팀은 이러한 탄소 소재 기반 촉매를 이용해 일반적인 수돗물에 함유된 철 이온 농도인 0.05ppm보다 50배의 진한 농도에서도 기존 촉매 대비 최대 80% 이상 향상된 성능으로 120시간 이상 안정적으로 일산화탄소를 생산할 수 있었다.

KIST 민병권 본부장은 “촉매 안정성에 가장 큰 폐해라 할 수 있는 수용액 내 금속 불순물을 역으로 이용해 보자는 아이디어에서 연구를 시작했다”며 “저렴하고 안정적인 탄소 소재 촉매는 앞으로 인공광합성과 이산화탄소 자원화 기술 실용화를 앞당길 것”이라고 밝혔다.

이 연구 결과는 촉매 분야 최고 수준 과학전문지인 ‘ACS Energy Letters’ 최신호에 게재됐다.

 

박응서 테크엠 기자   gopoong@techm.kr