- 상온·상압서 이소프로필알코올 직접 생산…두 가지 화학 반응 하나로 연결해 효율 극대화

- 기존 열촉매 공정 대비 톤당 737달러 비용 절감…탄소자원화 ‘파워 투 케미컬’ 상용화 청신호

- 환경공학 분야 유명 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environment & Energy (IF=19.7)’ 게재

그림 설명: (왼쪽부터) 가톨릭대학교 바이오메디컬화학공학과 김준영 교수,

이산화탄소를 이소프로필알코올(2-프로판올)로 전환하는 'Ce(OH)x/Ni2P 촉매'의 이중 반응경로 모식도

 가톨릭대학교(총장 최준규) 바이오메디컬화학공학과 김준영 교수 연구팀이 성균관대, 한국과학기술연구원(KIST), 전남대, 연세대-KIST 융합연구원과의 공동 연구를 통해 기후위기의 주범인 이산화탄소를 고부가가치 화학 원료인 이소프로필알코올(2-프로판올)로 직접 전환하는 고효율 촉매 기술을 개발했다.

 탄소중립을 위한 탄소자원화 기술이 전 세계적으로 주목받는 가운데, 의약품과 반도체 산업의 핵심 용매인 이소프로필알코올을 이산화탄소로부터 직접 합성하려는 연구가 활발히 진행돼 왔다. 하지만 이를 위해서는 복잡한 탄소 중간체들을 선택적으로 결합해야 하므로 반응 속도와 에너지 효율을 동시에 확보하기가 매우 까다로웠다. 특히 기존 연구들은 이산화탄소 과포화 조건을 필수적으로 요구해 상온·상압 환경에서의 상용화에 뚜렷한 한계가 있었다.

 공동 연구팀은 수산화세륨(Ce(OH)x)을 인화니켈(Ni2P) 표면에 결합한 새로운 ‘Ce(OH)x/Ni2P 촉매’를 개발해 이 문제를 해결하는 데 초점을 맞췄다. 이 촉매의 핵심은 나노미터 크기의 표면에서 전자 재분포를 유도해 두 가지 다른 반응이 충돌 없이 협력하도록 만든 것이다. 세륨이 인접한 영역은 특정 반응 경로(*OCHO)를 안정화하는 저원자가 활성점(Niδ+)을 형성하고, 나머지 인화니켈 영역은 기존 경로(*COOH)를 유지하도록 설계해 효율을 극대화했다.

 이렇게 제어된 두 반응 경로가 마치 정교한 조립 라인처럼 이어지면서, 탄소 중간체들을 효율적으로 결합하는 알돌 축합 및 Fischer–Tropsch 유사 탄소 삽입 반응이 원활하게 진행돼 이소프로필알코올 생성이 촉진됐다. 이를 통해 상온·상압 환경에서 -0.02 V(vs. RHE)의 매우 낮은 전위만으로도 21.0%의 파라데이 효율과 17.3%의 에너지 효율을 달성했으며, 48시간 연속 구동에도 성능 저하가 없는 뛰어난 안정성을 입증했다.

 또한 연구팀은 첨단 실시간(in situ) 분광분석 장비와 컴퓨터 시뮬레이션인 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 복잡한 반응 메커니즘을 명확히 증명해 냈다. 특히 1일 100톤 생산을 가정한 기술경제성 분석 결과, 새로운 공정이 기존 열촉매 공정 대비 톤당 약 737달러의 비용을 절감할 수 있는 것으로 나타나 탁월한 상용화 가능성도 확인했다.

 김준영 교수가 연구방법론 설계, 실험 및 정량 분석, 기술경제성 평가 등에 기여하며 공동 제1저자로 참여한 이번 공동 연구 성과는 환경공학 분야의 세계적인 권위지 ‘Applied Catalysis B: Environment & Energy (IF=19.7)’에 게재됐다. 논문의 제목은 ‘Interfacial Electronic Polarization–Induced Bifurcated CO2 Electroreduction Pathways to 2-Propanol on Ce(OH)x/Ni2P’이다.

 가톨릭대 바이오메디컬화학공학과 김준영 교수는 “이번 연구는 나노 단위의 전자적 불균일성을 이용해 반응 경로를 제어하는 새로운 전기촉매 설계 원리를 제시했다는 데 큰 의의가 있다”며 “상온·상압 공정을 통해 에너지를 절감한 만큼, 향후 재생전력을 기반으로 한 Power-to-Chemicals 산업화와 국가 탄소중립 기술 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

(그림) Ce(OH)x/Ni2P 계면에서 *OCHO 경로와 *COOH 경로가 동시에 작동하고,

알돌 축합과 Fischer–Tropsch 유사 탄소 삽입 반응을 거쳐 이산화탄소가 2-프로판올로 전환되는 이중 반응경로 모식도