KIST·LG화학, CCUS 상용화 걸림돌 '전해질 범람' 억제 은나노 촉매 개발

전해질 범람을 막아 전기화학적 이산화탄소 전환 성능을 높이는 소수성 은 촉매를 개발한 한국과학기술연구원(KIST) 연구팀 [사진=KIST]

국내 연구진이 탄소포집·활용·저장(CCUS) 기술 상용화에 걸림돌로 꼽히던 이산화탄소(CO₂) 포집 장치의 전해질 범람을 억제하는 은 나노 촉매를 개발했다. 

한국과학기술연구원(KIST)은 오형석·이웅희 KIST 청정에너지연구센터 박사팀과 황규원 KIST 반도체기술연구단 박사팀, 노태근 LG화학 연구팀이 이런 내용을 담은 연구 논문을 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 발표했다고 14일 밝혔다.

CCUS는 '2050 탄소중립' 이행을 위한 기술로 주목받고 있다. 하지만 높은 전압 상태거나 장기간 구동하면 '전해질 범람' 현상이 발생해 CO₂를 다른 유용한 물질로 전환하는 능력이 떨어지는 문제가 있었다. 

공동 연구팀은 이를 해결하기 위해 은 나노입자 표면에 물과 쉽게 화합하지 않는 소수성 지질 유기물을 결합한 새로운 은 촉매를 개발했다. 합성한 은 나노입자는 약 7나노미터(nm·10억분의 1m) 크기 정이십면체 구조다.

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상용 은 촉매와 합성된 은 촉매의 범람 정도 비교 모식도 [자료=한국과학기술연구원]

이렇게 개발한 은 촉매는 전극 표면에 물이 과도하게 축적하는 것을 방지하며 전해질 범람을 억제, 높은 전압 상태에서도 CO₂ 전환 성능을 유지했다. 컴퓨터단층(CT) 촬영 결과 전압이 높아지는 조건에서도 전해질 범람이 줄어드는 것을 관찰했다. 3.4볼트(V) 전압에서 기존 촉매는 약 81.5%의 일산화탄소에 대한 선택도와 12시간 성능 유지를 보였지만, 연구팀이 개발한 촉매는 95.5% 선택도와 50시간 이상 성능을 유지했다.

이번 성과는 적은 촉매량으로 오랜 기간 전기화학적 CO₂ 전환이 가능해 CCUS를 통한 일산화탄소(CO) 생산 비용을 낮출 수 있다고 연구팀은 설명했다.

KIST 책임연구원인 오 박사는 "전기화학 시스템에서 내적·외적 요인을 모두 고려한 촉매 합성 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다"라며 "LG화학과 함께 진행한 이번 연구 성과는 전기화학적 CO₂ 전환 기술 실증·상용화를 앞당길 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 이뤄졌다. 공동 연구팀은 석유화학 공정 등 대규모 생산시설에 적용할 수 있도록 후속 연구를 이어 나갈 예정이다.