▲ 세리아 사이즈에 따른 산소 전달 원리 모식도(그림=KAIST)  © 특허뉴스

기후 위기가 일상화된 시대, 유해 가스를 산소로 분해하는 촉매 기술은 친환경 정화의 핵심으로 떠오르고 있다. 한국 연구진이 그동안 막연히 ‘산소를 잘 쓰는 촉매’로 알려졌던 세리아(CeO₂)가 반응 환경에 맞춰 산소를 선택적으로 활용한다는 원리를 처음으로 밝혀내며, 촉매 설계의 기준을 새롭게 세웠다.

KAIST 생명화학공학과 이현주 교수, 서울대학교 한정우 교수, KAIST 박정영 교수로 구성된 공동연구팀은 친환경 촉매로 널리 쓰이는 세리아(CeO₂)가 크기에 따라 산소를 사용하는 방식이 완전히 달라진다는 사실을 세계 최초로 규명했다고 밝혔다.

세리아는 값비싼 귀금속 촉매를 대체·보완하는 금속 산화물 촉매로, 산소를 저장했다가 필요할 때 꺼내 쓰는 특성 때문에 ‘산소 탱크’로 불린다. 그러나 산소가 어디에서 공급되어 언제 반응에 쓰이는지에 대해서는 명확한 설명이 부족했다. 연구팀은 “촉매가 산소를 얼마나 잘 쓰느냐”가 아니라 “상황에 맞춰 어떤 산소를 쓰느냐”에 주목했다.

이를 위해 연구팀은 세리아를 아주 작은 나노 크기부터 상대적으로 큰 크기까지 정밀 제어해 제작하고, 산소의 이동과 반응 경로를 첨단 실험 분석과 인공지능 기반 시뮬레이션으로 함께 추적했다. 그 결과, 작은 세리아 촉매는 공기 중 산소를 빠르게 흡수해 즉시 반응에 투입하는 ‘순발력형’, 큰 세리아 촉매는 내부에 저장된 산소를 표면으로 끌어올려 지속 공급하는 ‘지구력형’으로 작동한다는 메커니즘을 밝혀냈다. 촉매의 크기 조절만으로 공기 중 산소를 쓸지, 내부 저장 산소를 쓸지를 설계 단계에서 선택할 수 있다는 의미다.

연구팀은 이 원리를 메탄 제거 실험에 적용했다. 메탄은 이산화탄소보다 온난화 효과가 수십 배 강한 온실가스로, 촉매 산화 반응을 통해 이산화탄소와 물로 전환된다. 실험 결과, 작은 세리아 촉매는 공기 중 산소를 즉각 활용해 낮은 온도와 습한 조건에서도 안정적인 메탄 제거 성능을 보였다. 이는 고가의 백금·팔라듐 등 귀금속 사용량을 크게 줄이면서도 성능을 오히려 향상시킬 수 있음을 보여준다.

이번 성과는 자동차 배기가스 정화부터 공장 매연 저감까지 일상 속 공기 질 개선으로 이어질 가능성을 넓힌다. 동시에 환경 정화 장비의 제조 비용 절감과 실제 산업 환경에서의 내구성 확보를 통해 친환경 에너지·환경 산업의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

이현주 교수는 “촉매에서 산소가 작동하는 두 가지 핵심 메커니즘을 명확히 구분한 첫 성과”라며 “반응 조건에 맞춘 맞춤형 고효율 촉매 설계로 기후 위기 대응 기술의 새로운 길을 열었다”고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 생명화학공학과 최윤지 박사과정, 서울대 재료공학부 정석현 박사, KAIST 화학과 한재범 박사과정이 공동 제1저자로 참여했으며, 결과는 국제 학술지 Nature Communications에 1월 9일 게재됐다.

논문명은 Understanding oxygen transfer on ceria with Pt single atoms for surface reaction이다.