국내 연구진이 이산화탄소를 플라스틱을 만드는 원료인 에틸렌과 같은 화학물질로 전환하는 효율을 86%까지 높이는 전극구조를 개발하는데 성공했다.
한국과학기술원(KAIST) 화학과 송현준 교수 연구팀은 머리카락보다 휠씬 가는 은실들이 거미줄처럼 얽힌 구조인 '은 나노선 네트워크'를 활용한 새로운 전극 구조를 개발했다고 6일 밝혔다.
전기를 이용해 이산화탄소를 플라스틱 원료인 에틸렌(C2H4) 등의 화학물질로 바꾸는 '전해' 기술은 온실가스인 이산화탄소를 줄이면서 동시에 기존 고온·고압으로 에너지 손실이 컸던 생산 공정을 대체할 수 있는 친환경 기술로 주목받고 있다.
그러나 화학 반응이 일어나는 핵심 부위인 '전극' 내부가 전해액(물)으로 가득 차면서 이산화탄소가 반응할 공간이 줄어드는 '침수' 현상으로 인해 전환 효율이 떨어지는 고질적인 문제가 있었다. 이를 막기 위해 물을 밀어내는 소재가 쓰이기도 했지만, 이는 전기가 잘 통하지 않아 성능이 떨어지게 된다.
이에 연구팀은 물은 차단하면서도 전기의 흐름과 촉매 반응을 원활하게 이뤄지도록 '3층 구조' 전극을 개발해 효율과 안정성을 동시에 개선했다. 이 전극은 물을 튕겨내는 고분자 기판 위에 촉매와 은 나노 입자를 거미줄처럼 촘촘히 엮은 네트워크를 순차적으로 쌓는 식으로 설계됐다. 이를 통해 전해액의 침수를 차단하면서 동시에 전기는 잘 통하게 할 수 있었다.
특히 '은 나노선'은 단순 전도체 역할 뿐만 아니라 직접 화학 반응에도 참여한다. 은 나노선은 이산화탄소를 반응시키는 과정에서 일산화탄소(CO)를 생성하고, 일산화탄소가 촉매로 전달되며 다음 단계 반응이 이어진다. 이처럼 두 촉매가 협력해 반응을 진행하는 '협동 촉매(탠덤 촉매)' 시스템은 한번에 생산할 수 있는 물질량을 늘릴 수 있어 효율이 높아진다.
실제로 연구팀이 개발한 전극은 중성 전해질에서 세계 최고 수준인 86%의 높은 전환 효율을 기록했다. 이는 생성물 중 대부분이 원하는 물질로 전환됐다는 의미다. 또 50시간 이상의 장시간 작동에서도 성능 저하 없이 안정적인 반응을 유지해, 기존 기술에서 나타났던 성능 감소 문제를 효과적으로 극복했다.
송현준 교수는 "이 기술은 앞으로 이산화탄소를 에탄올이나 연료 등 다양한 물질로 바꾸는 데에도 활용될 수 있는 새로운 설계방법을 제시했다"고 말했다.
이 연구결과는 국제학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 3월 24일자에 게재됐다.
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