실시간 직접 관찰된 초미세 계단형 구리 촉매의 표면 구조(KAIST 제공)/뉴스1

국내 연구진이 상온에서 쉽게 이산화탄소를 실시간 분해하는 기술을 개발했다.

이산화탄소 분해 반응은 탄소중립 달성을 위한 산업계 패러다임 전환 대응에 필요한 핵심 기술이나, 이산화탄소 분자가 화학적으로 매우 안정된 탓에 공업적으로 유용한 화학 물질로의 전환은 여전히 난제로 여겨진다.

한국과학기술원(KAIST)은 화학과 박정영 교수 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 물리·광과학과 문봉진 교수 연구팀과 초미세 계단형 구리(Cu) 촉매 표면이 이산화탄소(CO₂) 분자를 보다 효과적으로 분해할 수 있음을 입증했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 상압 전자터널링 현미경(AP-STM) 기술을 활용해 관찰한 결과 머리카락 두께의 10만 분의 1 크기의 계단형 표면 구조가 온실가스의 분해 반응 향상에 크게 기여한다는 시각적 증거를 처음 제시했다.

방사광가속기 시설을 활용한 표면 구조 재구조화 현상의 규명(KAIST 제공)/뉴스1

연구팀은 크기가 수 옹스트롬(Å·100억 분의 1 미터)에 불과한 이산화탄소 분자는 촉매 물질의 표면 구조에 따라서 반응 활성도가 달라질 수 있다는 점에 착안, 머리카락 두께의 10만 분의 1에 불과한 계단형 초미세 구리 표면과 반응하는 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 포착했다.

초미세 계단형 구조를 갖는 구리 원자의 표면 배열은 평평한 구조를 갖는 넓은 구리 표면 구조에 비해 훨씬 낮은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 온실가스의 분해가 상대적으로 쉽다.

연구팀은 구리 촉매 표면의 계단 위치와 충돌한 이산화탄소 분자가 상온에서도 쉽게 분해됐고, 더 나아가 분해된 일산화탄소 분자와 산소 원자가 표면의 구조변화를 동시에 유도함으로써 촉매반응 경로에 영향을 끼칠 수 있음을 발견했다.

박정영 KAIST 화학과 교수

박정영 교수는 “이번 연구는 기존에 진행된 구리 표면에서의 이산화탄소 촉매 현상의 이해를 뛰어넘는 새로운 발견"이라며 "이를 통해 고효율 이산화탄소 촉매의 개발을 통해 인류의 가장 시급한 문제 중의 하나인 지구온난화 및 지속가능성 문제 해결에 기여할 것"이라고 말했다.

한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업, 과학기술분야 기초연구사업과 한-프랑스 협력기반조성사업(STAR) 등의 지원을 받은 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 온라인 판에 지난 6일 게재됐다.