이산화탄소(CO₂)를 산업 원료인 일산화탄소(CO)로 전환하는 고온 촉매의 안정성 한계를 '이중 원자 구조' 설계로 극복한 국내 연구 성과가 나왔다. 고온 반응에서 금속 촉매가 뭉치며 성능이 떨어지는 문제를 원자 단위 구조 설계로 해결하고, g단위 합성까지 구현해 공정 적용 가능성을 제시했다.

김현탁 한국화학연구원 선임연구원 연구팀이 김영진 경북대학교 교수, 이근식 울산과학기술원(UNIST) 교수, 김상준 충남대학교 교수 연구팀과 공동으로 금속을 원자쌍 형태로 설계한 이중 원자 촉매를 개발해 고온 열화학 반응에서도 CO₂를 안정적으로 CO로 전환하는 데 성공했다고 릴박스 8일 밝혔다.




이산화탄소(CO2) 일산화탄소(CO) 전환 및 생활용품 활용 예시. 연구팀 제공


이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재 릴게임골드몽 됐다. 김경민 화학연 연구원과 문진홍 UNIST 연구원이 공동 제1저자로 참여했고, 김현탁 박사와 김영진·이근식·김상준 교수가 교신저자로 참여했다.
CO₂ 전환 공정의 고온 촉매 한계
CO₂를 CO로 전환하는 기술은 합성연료와 화학제품 생산의 핵심 공정으로 꼽힌다. CO는 합성가스(Syngas)의 주요 성분으로 메탄올, 릴게임바다이야기사이트 합성연료, 플라스틱, 화학 원료 생산 공정의 출발 물질로 쓰인다.
특히 재생에너지 기반 그린수소(H₂)와 결합할 경우 전력을 연료·화학물질로 전환하는 '파워투엑스(Power-to-X)' 공정의 핵심 단계가 된다.
하지만 CO₂는 화학적으로 매우 안정한 분자다. 전환 반응에는 보통 500~600℃ 이상의 고온이 필요하며, 릴게임골드몽 반응 과정에서 촉매 금속 입자가 서로 뭉치는 '소결(sintering)' 현상으로 성능이 쉽게 저하된다.

기존에는 니켈(Ni), 구리(Cu), 백금(Pt) 등의 금속 나노입자 촉매가 사용됐지만 고온 장시간 운전에서 성능 저하와 부산물 생성 문제가 있었다. 금속을 단일 원자 형태로 분산시키는 단일 원자 촉매(SAC) 연 오징어릴게임 구도 진행됐지만 환원 분위기에서 금속 원자가 이동하거나 응집하는 문제가 남아 있었다.




이중원자 촉매 합성 공정 모식도. 연구팀 제공


원자쌍 설계로 선택도·안정성 동시 확보
연구팀은 금속을 '덩어리'가 아닌 원자 단위로 정밀 설계해 구리와 니켈을 인접한 원자쌍 형태로 배치한 이중 원자 촉매(Cu?Ni DAC)를 개발했다.
질소가 도핑된 탄소 구조 안에 두 금속 원자를 고정해 N₂Cu-N₂-NiN₂ 구조를 형성하도록 설계했다. 이 구조는 CO₂ 활성화를 촉진하고 생성된 CO는 빠르게 분리시키며, 메탄(CH₄) 생성 반응을 억제하는 특징을 보인다.
실험 결과 이 촉매는 300~600℃ 범위에서 CO 선택도가 거의 100%에 달했으며 메탄 등 부산물 생성이 거의 나타나지 않았다.
또 온도를 반복적으로 변화시키는 가혹 조건에서도 100시간 이상 안정적인 성능을 유지했다.

CO₂를 CO로 전환하는 역 수성가스전환(RWGS) 반응은 열역학적 한계가 있는데, 이번 촉매는 실험 조건에서 이론적 평형 전환율(66%)에 근접한 64% 전환율을 기록했다.




공동연구팀 사진. 중앙 왼쪽부터 시계 방향으로 김현탁 화학연 박사(교신저자), 김영진 경북대 교수(교신저자), 이근식 UNIST 교수(교신저자), 김상준 충남대 교수(교신저자), 김경민 화학연 연구원(1저자), 문진홍 UNIST 연구원(1저자). 화학연 제공


g단위 합성 성공…공정 적용 가능성
이번 연구의 또 다른 특징은 대량 합성 가능성이다.
기존 단일 원자 촉매 연구는 대부분 mg 단위 실험실 합성에 머물렀다. 연구팀은 진공 증착(ALD·CVD) 같은 고가 장비 대신 용액 혼합-건조-열처리 공정을 이용한 합성 전략을 개발했다.
이를 통해 동일 공정으로 13~15g 규모 이중 원자 촉매를 반복 제조하는 데 성공했다. 향후 산업용 고정층 반응기 등 기존 열촉매 공정에 적용될 가능성이 있다는 설명이다.
김현탁 한국화학연구원 선임연구원은 "Cu-Ni 이중 원자 구조를 정밀 설계해 고온 조건에서도 CO₂를 선택적으로 CO로 전환하면서 반복 운전에서도 원자 분산 구조가 유지됨을 확인했다"고 말했다.
이영국 한국화학연구원 원장은 "원자 촉매의 안정성 한계를 극복하고 대량 합성 가능성을 보여준 연구"라며 "탄소자원화 기술 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.
김종화 기자 justin@asiae.co.kr