권영국 교수팀, 구리 내 원자 수준의 틈 제어하는 기술 적용
요소 합성 때 전류효율·생산속도 개선…"요소 자체 생산 원천기술 기대"

[연구진] 이번연구를 진행한 연구진의 모습. 윗줄 왼쪽부터 공동 1저자 Siraj Sultan 박사, 최한샘 연구원, 이호정 연구원, 아랫줄 왼쪽부터 권영국 교수, 제1저자 신석민 연구원. UNIST 제공

그림. 본 연구의 graphic scheme. (해당 사진은 2023년 5월 17일 Energy & Environmental Science 저널의 inside back cover로 선정됐다.) 본 연구는 이산화탄소(CO2)와 질산염(질산 이온; NO3-)을 반응물로 사용하여 전기화학적으로 요소(Urea; CO(NH2)2)를 생성한 연구이다. 구리(Cu)촉매에 원자 수준의 공간/틈 (Atomic-scale spacing) 을 만들어 주면 전기화학적으로 가스 상태의 CO2와 전해액에 녹아 있는 NO3-가 그 공간 안에서 반응하여 요소생산이 촉진될 수 있음을 밝혔다. UNIST 제공

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 온실가스인 이산화탄소와 미세먼지 원료인 질산염을 농업과 산업에서 유용하게 쓰이는 요소(Urea)로 바꾸는 기술을 개발했다.

권영국 에너지화학공학과 교수팀은 구리 내에 원자 수준의 틈을 제어하는 기술을 적용, 이산화탄소와 질산염을 고부가가치 물질인 요소로 전환하는 촉매 소재를 개발했다고 8일 밝혔다.

권 교수팀은 같은 과 송현곤 교수팀과 함께 리튬화 공정을 통해 촉매 내부의 원자 수준 틈을 구현했다.

역시 같은 과 이현욱 교수팀은 원자 수준의 틈이 생성되는 것을 실시간 투과 전자현미경(TEM) 분석으로 관측하고 규명했다.

그림. 원자-수준 공간을 가진 구리촉매의 전자현미경 관측 결과. a) 어떠한 공정처리도 하지 않은 구리 촉매의 주사 전자현미경 사진, 오른쪽으로 갈수록 고배율로 확대된 모습. b) 리튬화 공정을 거쳐 생성된 원자-수준 공간을 가진 구리촉매의 모습. UNIST 제공

이를 통해 구리 나노입자의 두 면 사이에 원자 수준의 틈을 도입, 이산화탄소와 질산염의 전기화학적 공동환원 반응에 이상적이고 효율적인 촉매를 생성했다.

특히 이 촉매를 통한 요소 합성 과정에서 전류 효율과 생산 속도가 크게 향상되는 사실을 확인했다.

생성된 촉매 중 틈의 거리가 6옹스트롬(Å·100억분의 1ｍ)에 가까운 구리 촉매는 기존 구리 촉매보다 요소 생산 속도는 약 17배, 요소 전류밀도는 19배 이상 향상된 수준을 보였다.

이는 현재까지 학계에 보고된 내용 중 최고 수치라고 연구진은 설명했다.

또한 50시간 안정성 시험도 통과, 안정성에 대한 검증을 했다.

권 교수는 "전기화학적 이산화탄소·질소화합물의 동시환원 분야가 초기 연구단계인 만큼 기초연구를 통해 이해를 넓히는 동시에 촉매 시스템에 대한 연구를 함께 진행하는 것이 기술 상업화에 필수적"이라면서 "현재 수입에 의존하는 요소를 국내에서 자체 생산할 수 있는 원천기술이 될 것이며, 이를 발전시키면 탄소중립에도 기여하게 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 에너지 분야에서 권위 있는 학술지인 '에너지와 환경과학'(Energy & Environmental Science) 3월 28일 자 온라인 게재됐고, 표지논문으로 선정돼 5월 17일 출판됐다.

송현수 기자 songh@busan.com