[ATN뉴스=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 광주과학기술원 신소재공학부 최창혁 교수(광주과학기술원), 서지원 교수(광주과학기술원), 김형준 교수(한국과학기술원) 공동 연구팀이 고성능 이산화탄소 촉매 소재 설계기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

이산화탄소 전환은 이산화탄소와 물의 반응으로 고부가가치 화합물을 생산하는 기술로 실용화를 위한 연구가 활발하다.

이 중 효율적인 촉매의 개발은 탄소중립정책의 성공을 좌우할 중요한 요소로 원자수준에서 배열된 전이금속 촉매는 효율적으로 이산화탄소 전환을 할 수 있다는 점에서 주목받고 있다.

하지만 다양한 구조가 섞여 있는 탓에 활성점 파악과 같은 촉매에 대한 이해가 부족하고 실용화가 가능한 고성능 촉매 개발을 위해 촉매의 활성점 규명과 합리적인 활성점의 설계가 관건이다.

이번 연구팀은 전기화학적 방식의 이산화탄소 전환에 뛰어난 단원자 전이금속 촉매의 활성점을 규명하기 위해 원자수준에서 정확하게 제어된 구조체를 도입했다.

단원자 전이금속 촉매는 촉매의 활성점이 금속원자 한 개로 구성된 촉매를 지칭하며 이 단원자 촉매는 금속 촉매에 필적하는 성능을 보이며 상대적으로 저렴한 전이금속을 소량 사용함으로써 촉매생산에 필요한 비용을 절감할 수 있다.

연구과정을 보면 첫 번째 분자로 네 개의 질소원자로 둘러싸인 단원자 니켈을 포함한 구조(Ni-N4-TPP)와 두 번째 분자로 하나의 질소가 산소로 치환되어 대칭성이 뒤틀린 구조(Ni-N3O-TPP)를 합성했다.

이 과정에서 다양한 전기화학적 그리고 분광학적 접근을 통해 대칭성이 뒤틀린 구조가 높은 이산화탄소 전환성능을 보임을 확인할 수 있었다.

또 계산화학을 통해 활성점의 뒤틀린 대칭성이 반응중간체 생성에 필요한 에너지를 효과적으로 낮추어 결과적으로 높은 전환성능을 보였다.

이 연구결과에 의하면 단원자 금속 주변의 원자 수준 구조제어가 이산화탄소 전환용 촉매 소재의 성능을 결정하는 핵심 요소임을 도출했고 이를 바탕으로 고성능의 촉매 개발을 위한 원천기술을 제공할 수 있다.

연구 관계자는 “활성점 주변의 원자 수준에서 뒤틀린 대칭성이 고성능 이산화탄소 전환에 핵심 요소임을 밝힌 이번 연구결과가 고성능 이산화탄소 전환 촉매 개발에 도움이 될 것으로 기대된다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리, 개인기초연구 사업의 지원으로 수행됐고 화학분야 국제학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 1월 7일 게재됐다.