이산화탄소를 개미산으로 바꾼다

UNIST, 성균관대, DGIST 공동연구진 개발
초미세 균혈이 있는 주석 촉매로 개미산 생산
식품, 가죽처리, 제약 산업 원료로 개미산 사용
최근 연료전지 연료와 수소저장체로도 주목
기존 촉매보다 전기소모 적고 생산속도 19배 ↑

UNIST, 성균관대, DGIST 공동연구진이 개발한 주석 촉매는 초미세 균열이 있어 그 틈새로 이산화탄소가 들어가 개미산이 만들어진다. UNIST 제공

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 권영국 교수팀이 성균관대, 대구경북과학기술원(DGIST) 연구진과 공동으로 이산화탄소를 유용한 물질로 바꾸는 촉매기술을 개발했다. 이산화탄소를 공업 원료인 개미산으로 전환하는 촉매다.

1일 UNIST에 따르면, 이 촉매는 기존 상용 주석 산화물 소재와 비교해 전기 소모가 적고, 개미산의 생산 속도가 19배 이상 향상 됐다. 또한 반응 부산물도 70% 줄었다.

UNIST 권영국 교수는 "주석 입자 내 원자 수준 틈을 조절하는 기술을 통해 고부가 개미산의 생산속도와 선택성을 획기적으로 증가시킬 수 있었다"고 말했다.

연구진은 값싼 비귀금속 주석(Sn)을 기반으로 고성능 개미산 생산 촉매를 만들었다. 개미산은 식품, 가죽처리, 제약 산업에 널리 쓰이고 있다. 또 최근에는 연료전지 연료와 수소저장체로도 주목받는 물질이다.

연구진은 고성능 주석 산화물 촉매를 만들기 위해 촉매입자에 머리카락 굵기 10만분의 1 수준 보다 더 가는 초미세 균열을 내는 특수 기술을 이용했다. 이 초미세 균열 사이에 이산화탄소가 갇히면서 반응에 필요한 에너지가 줄고 반응 부산물 생성은 효과적으로 줄일 수 있다.

주석 촉매 입자에 초미세 균열을 내기 위해서 양이온 주입 기술을 썼다. 주석 산화물 입자 내부에 리튬 양이온을 주입하면 가지런했던 원자 배열이 어긋나게 된다. 이 어긋난 원자배열들이 이동하면서 주석 입자 내부에 약 1㎚(나노미터, 100만분의 1㎜) 이하의 초미세 균열이 생기는 원리다.

연구진은 최적의 미세균열 크기도 찾아냈다. 미세 균열의 크기가 6Å(옹스트롬, 원자 2~3개 크기) 수준일 때 개미산 생성 속도와 선택성이 향상되고 부산물인 수소 생성이 효과적으로 억제됐다.

한편, 촉매는 반응에 소모되는 전기에너지를 줄이는 물질로 주로 귀금속이 쓰인다. 기존 주석 촉매는 값은 싸지만 반응속도가 느리고 반응 부산물 생성도 많은 문제가 있었다.

부산물이 많이 생길수록 전기에너지가 원치 않는 반응에 낭비된다는 의미다.

이번 연구는 UNIST 이호정 연구원이 제1저자로 참여하고, 성균관대학교 정형모 교수팀, DGIST 슈테판 링에 교수팀이 함께 했다.

연구 결과는 재료공학·전기화학 분야의 세계적 권위지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)' 표지논문으로 선정돼 정식 출판을 앞두고 있다.

[e-mail] 김만기 기자