▲ 구리 촉매에서 발생하는 두 가지 표면 재구성 경로를 비교한 모식도로, 산화–환원 기반 재구성의 경우 초기 선택도 향상 이후 내구성이 저하되는 반면, 용출–재증착 기반 재구성은 반응 중에도 C₂ 선택적인 활성점이 지속적으로 재생되어 장시간 구동 시 선택도와 내구성이 동시에 향상됨을 보여줌(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

공장과 발전소에서 배출되는 이산화탄소(CO₂)를 유용한 화학 원료로 전환하는 기술은 탄소중립 시대의 핵심 기술로 꼽힌다. 그러나 반응 과정에서 촉매 성능이 빠르게 떨어지는 문제가 상용화를 가로막아 왔다. KAIST 연구진이 반응 과정에서 스스로 성능을 회복하는 ‘자가 재생(Self-regenerating) 촉매’를 개발해 이산화탄소 전환 기술의 새로운 돌파구를 제시했다.

KAIST는 생명화학공학과 정동영 교수 연구팀이 이산화탄소를 전기화학 반응으로 유용한 화학 물질로 전환하는 과정에서 발생하는 촉매 성능 저하의 근본 원인을 규명하고, 촉매가 반응 중에도 스스로 활성 상태를 유지하도록 하는 새로운 설계 전략을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 이산화탄소 전환 반응에서 널리 사용되는 구리(Cu) 촉매에 주목했다. 기존 연구에서는 구리 촉매의 표면 구조가 반응 중 지속적으로 변하는 ‘재구성(reconstruction)’ 현상이 촉매 성능 변화의 주요 원인으로 알려져 있었지만, 그 구체적인 작동 메커니즘은 명확히 밝혀지지 않았다.

연구 결과, 구리 촉매의 재구성 방식은 크게 두 가지로 나타났다. 하나는 촉매 표면에 산화물이 형성됐다가 다시 환원되는 과정으로, 단기적으로는 활성이 증가하지만 장기적으로는 성능 저하로 이어지는 방식이다. 반면 다른 하나는 촉매 금속 일부가 전해질로 녹아 나왔다가 다시 촉매 표면에 붙는 과정을 반복하는 형태로, 이 과정에서 새로운 활성점(active site)이 지속적으로 생성되는 것으로 확인됐다.

연구팀은 이 원리를 활용해 촉매가 반응 중에도 스스로 활성 상태를 유지하도록 하는 방법을 제시했다. 전해질에 극미량의 구리 이온을 추가하면 촉매 표면에서 금속이 녹았다가 다시 붙는 과정이 균형을 이루며 반복되고, 그 과정에서 새로운 반응 활성점이 지속적으로 형성되는 것이다. 이를 통해 촉매 성능을 장시간 안정적으로 유지할 수 있음을 실험적으로 입증했다.

특히 이번 기술은 별도의 복잡한 장치나 고전압 조건 없이 전해질 조절만으로 구현 가능하다는 점에서 실용성이 높다. 또한 에틸렌이나 에탄올과 같은 고부가가치 C₂ 화합물을 안정적으로 생산할 수 있는 가능성을 제시해, 탄소 포집·활용(CCU) 기술의 산업 적용에도 중요한 의미를 갖는다.

정동영 교수는 “이번 연구는 촉매 성능 저하를 불가피한 현상이 아니라 제어 가능한 과정으로 이해하고 접근한 결과”라며 “반응이 진행되는 동안에도 촉매가 최적의 활성 상태를 유지하도록 하는 새로운 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다.

이번 연구는 KAIST 김한주 박사과정생과 안홍민 석·박사 통합과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 화학 분야 최고 권위 학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)에 2월 5일 온라인 게재됐다.

논문명은 Dynamic Interface Engineering via Mechanistic Understanding of Copper Reconstruction in Electrochemical CO2 Reduction Reaction이다.