이산화탄소 만드는 플라스틱 효율 올리다 '나노선' 이중 역할 규명

국내 연구진이 이산화탄소를 플라스틱 원료인 에틸렌과 같은 화학물질로 바꾸는 과정에서 전극 내부 '침수현상'을 해결하고, 성능도 획기적으로 개선하는데 성공했다. KAIST는 송현준 화학과 교수 연구팀이 머리카락보다 가는 은 나노선 네트워크로 새로운 전극 구조를 개발했다. 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환하는 효율은 세계 최고 수준으로 끌어올렸다고 6일 밝혔다. 연구팀은 "전기를 이용해 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환하는 과정에서 전극 내부가 전해액으로 가득차면 이산화탄소가 반응할 공간이 줄어드는 '침수 현상'이 발생한다"며 "이를 막기 위해 별도 공정이 필요했다"고 말했다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 물은 막고 전기는 잘 흐르게 하는 '3층 구조' 전극을 설계했다. 물을 튕겨내는 기판 위에 촉매층을 형성하고, 그 위를 은 나노선 네트워크로 덮은 결과 전해액 침수를 효과적으로 차단하면서도 전기 전달을 원활하게 유지한다는 것을 확인했다. 연구팀은 또 은 나노선이 단순히 전기를 전달하는 역할 외에도 화학 반응에도 직접 관여한다는 사실도 밝혀냈다. 은 나노선은 이산화탄소를 반응시키는 과정에서 일산화탄소(CO)를 생성하고, 이 물질이 인접한 구리 촉매에 영향을 미치는 '협동 촉매(탠덤 촉매)' 시스템이 만들어졌다. 협동촉매는 에틸렌과 같은 다중 탄소 화합물 생성을 촉진하는 것으로 파악됐다. 알칼리성 전해질에서는 79%, 중성 전해질에서는 세계 최고 수준인 86%의 높은 탄소 화합물 선택성을 기록했다. 이는 생성물 중 대부분이 원하는 물질로 전환됐다는 의미다. 또한 50시간 이상의 장시간 작동에서도 성능 저하 없이 안정적인 반응을 유지해, 기존 기술에서 나타났던 성능 감소 문제를 효과적으로 극복했다. 송현준 교수는 “이번 연구는 은 나노선이 전기를 전달하는 동시에 화학 반응에도 직접 참여한다는 점을 밝혀낸 데 의미가 있다”며, “이 기술은 앞으로 이산화탄소를 에탄올이나 연료 등 다양한 물질로 바꾸는 데에도 활용될 수 있는 새로운 설계 방법을 제시했다”고 말했다. 연구는 박종혁 KAIST 화학과 박사가 제1저자로 참여했다. 국제 학술지 어드밴스드 사이언스에 지난 달 게재됐다.