문회리 교수팀, ‘금속-유기골격체’ 기반 차세대 이원자 촉매 개발
일산화탄소 전기환원에서 상용화 기준 충족하는 성능 달성
화학·나노과학과 문회리 교수 연구팀이 울산과학기술원(UNIST), 한국에너지공과대학교(KENTECH), 대만 국립성공대(NCKU)과 공동으로 금속-유기 골격체를 활용해 원자 배열이 정확히 규명된 구리(I) 이원자 촉매를 세계 최초로 개발했다.
연구팀이 개발한 촉매는 일산화탄소(CO)를 두 개 이상의 탄소로 이루어진 유용한 물질로 전환하는 전기화학 반응에서 높은 선택성, 빠른 반응 속도, 장시간 안정성을 확보해 산업적 상용화 기준을 충족했다. 특히 연구에 활용된 금속-유기 골격체는 올해 노벨화학상을 수상한 물질로, 향후 촉매로의 활용에 대한 기대감을 드높이고 있다.
일산화탄소 전기환원은 공장이나 배출가스에서 나온 일산화탄소를 재활용해 에틸렌이나 아세트산염 등 고부가가치 물질로 바꾸는 기술로, 두 금속의 활성점이 정확한 간격과 배열을 유지해야 반응이 잘 일어나기 때문에 촉매의 원자 수준 설계가 매우 중요하다. 연구팀은 이 난제를 해결하기 위해, 먼저 구리(II)를 포함한 금속-유기 골격체를 합성한 뒤 온도 변화에 따라 구조가 관절처럼 접히는 특성을 활용해 구리(II)를 구리(I)로 환원시키고, 구리(I) 두 개가 약 3.6Å 간격을 유지하게 배열되도록 구현했다. 이 구조는 X-선 분석과 분광 분석을 통해 실제 존재와 안정성이 검증되었다.
이렇게 얻은 금속-유기 골격체를 얇은 나노시트 형태로 전극에 적용해 일산화탄소 전기환원 실험을 수행한 결과, 전환 과정에서 선택도 86%, -600 mA cm-2 조건에서 -430 mA cm-2의 높은 부분 전류밀도를 기록했으며, 산업현장에서 요구되는 고전류 조건에서도 60시간 이상 성능과 구조를 유지하며 뛰어난 내구성을 보였다. 연구팀은 또한 실시간 표면 적외선 분광 분석과 밀도범함수 이론 계산을 통해 이 촉매가 일산화탄소를 바꿀 때 랑뮤어–힌셀우드 방식과 일레이–리디얼 방식의 두 가지 방식으로 반응이 일어나며, 이는 촉매 내부에 구리(I) 이원자 구조 덕분임이 확인되었다.
구리(I) 금속유기골격체의 구조와 결정 이미지(위) 및 일산화탄소 전기환원 성능(아래)
이번에 개발된 촉매는 일산화탄소를 효율적으로 전환해 탄소 저감 기술 발전에 기여할 뿐 아니라, 비교적 저렴한 구리를 기반으로 귀금속 수준의 성능을 구현해 제조 비용과 산업 적용성을 크게 개선할 것으로 기대된다. 문회리 교수는 “이번 연구는 구리 원자 두 개가 어떤 간격과 배치를 가질 때 CO 분자를 가장 효과적으로 결합시키는지를 실제 결정 구조와 실험, 계산으로 동시에 규명한 사례”라며 “향후 이원자 촉매 설계에 중요한 기반이 될 것”이라고 설명했다. 권영국 교수는 “탄소-탄소 결합 형성에 유리한 구리(I)만으로 이루어져 촉매능이 우수하며, 전기화학적 CO 환원 촉매에서 이중 활성점을 설계함에 있어 기준점이 될 것”이라고 소개했다.
문회리 교수, 박종훈 연구원
본교 화학·나노과학과 문회리 교수(교신저자)와 박종훈 연구원(제1저자), 그리고 UNIST 최원영·권영국 교수, KENTECH 김우열 교수, 대만 NCKU Mu-Jeng Cheng 교수가 공동으로 진행한
이번 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 국제학술지 <Angewandte Chemie> 국제판에 게재되었으며, 본 연구는 국가연구소(NRL 2.0) 사업, 과학기술정보통신부의 한국연구재단 중견연구(후속)사업, 우수연구자교류지원사업(BrainLink), 교육부의 대학중점연구소지원사업의 지원을 받았다.