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이산화탄소를 유용한 물질로 바꾸는 구리 촉매의 약점을 밝히다.



 (Close-up of an electrochemical device custom-designed for observing CO2 reduction. Credit: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

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과학자들은 오랜 세월 이산화탄소를 이용해 유용한 물질로 만드는 연구를 진행했습니다. 이산화탄소 분리 포집 기술은 이미 상당히 발전해서 대량으로 이산화탄소를 분리하는 일은 어렵지 않지만, 이 이산화탄소를 유용하게 사용할 방법이 별로 없기 때문에 땅속에 매립하는 방법이 주로 시도되고 있습니다. 하지만 이 과정에서 추가 비용이 드는 것은 물론 막대한 양을 매립하는 일 자체도 쉽지 않다는 문제가 있습니다. 따라서 할수만 있다면 이산화탄소를 활용해 유용한 물질을 만드는 것이 최선의 방법입니다.

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그러나 이산화탄소는 탄소 원자가 산소 원자 두 개와 매우 단단히 결합되어 있어 연결을 끊고 화학 반응을 유도하기가 쉽지 않습니다. 다행히 1980년대 과학자들은 구리 촉매가 이 결합을 끊고 화학 반응을 유도하는 데 뛰어나다는 사실을 알아냈습니다. 구리 나노 입자 촉매를 이용하면 이산화탄소와 물을 반응시켜 에틸렌이나 에탄올 같은 화학 물질로 만들 수 있습니다. 그리고 이 물질들은 연료나 플라스틱 원료 등으로 활용될 수 있습니다.

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그런데 지난 수십 년간 많은 연구에도 불구하고 아직도 구리 촉매가 이산화탄소 화학 공업에 널리 사용되지 못하는 데는 그럴 만한 이유가 있습니다. 구리 촉매는 처음에는 반응 속도가 좋지만 빠르게 변형이 일어나 촉매의 효율이 떨어지고 반응이 멈추게 됩니다. 따라서 산업적인 목적으로 대량 생산이 어려운 것입니다.

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(로렌스 버클리 국립 연구소와 스탠포드 선형 가속기 센터/국립 가속기 연구소 (Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) and SLAC National Accelerator Laboratory)의 과학자들은 구리 촉매가 열화되는 이유를 알기 위해 여러 기관과 손을 잡고 연구를 진행했습니다. 칼텍이 이끄는 리사 (Liquid Sunlight Alliance (LiSA))는 미 에너지부 혁신 허브 (DOE Energy Innovation Hub)의 지원을 받는 연구로 여러 기관 100명 이상의 과학자가 참가하고 있습니다.

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연구팀은 선형 가속기를 이용한 small angle X-ray scattering (SAXS)라는 최신 이미징 기술을 이용해 구리 나노 촉매의 열화를 일으키는 중요한 요인 두 가지를 찾아냈습니다. 첫 번째 요인은 입자 이동 및 합체(particle migration and coalescence (PMC))라는 과정으로 나노 입자가 뭉쳐 촉매 반응을 방해하는 것입니다. 두 번째는 오스트발드 숙성 (Ostwald ripening) 과정을 덩어리에 작은 입자가 붙어 나가면서 반응을 방해하는 것입니다.

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이번 연구에서는 촉매가 구체적으로 열화되는 과정을 밝히므로써 앞으로 이 과정을 억제할 수 있는 방법을 개발하는데 중요한 단서를 제공한 것으로 평가됩니다. 연구팀은 유기물을 코팅하는 방법 등으로 구리 나노 촉매의 열화를 억제하고 상업적인 이산화탄소 원료 화학 공업을 가능하게 할 방법을 연구할 계획입니다. 여담이지만, 1저자가 한국분 같은데, 세계적인 연구소에서 일하는 한국인 과학자라는 점이 반갑습니다.

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참고

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https://phys.org/news/2025-04-scientists-decades-puzzle-carbon-dioxide.html

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Soo Hong Lee et al, Structural Transformation and Degradation of Cu Oxide Nanocatalysts during Electrochemical CO2 Reduction, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.4c14720

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