전자현미경으로 관찰한 구리알루미늄 합금 촉매 사진/울산과학기술원 제공
울산과학기술원(UNIST) 권영국 에너지화학공학과 교수팀이 석유 대신 이산화탄소로 에틸렌을 생산하는 구리알루미늄 합금 촉매를 개발했다.
온실가스를 제거하는 동시에 에틸렌을 친환경적으로 생산할 수 있는 기술로 촉매 합성 방법도 간단해 친환경 에틸렌 생산 기술의 상용화를 앞당기는 데 기여할 수 있을 것으로 보인다.
개발된 촉매는 전극에 바른 뒤 전기를 흘려주면 촉매 표면에서 이산화탄소가 전기화학 반응을 통해 에틸렌으로 변하게 만든다.
그동안 논문으로 보고된 촉매 중 최고 수준인 82.4%의 전류효율을 보였으며 상업화 경제성을 판단하는 전류 밀도도 제시된 평가 기준의 2배를 넘어섰다.
연구팀은 구리와 알루미늄 원료를 동시에 침전시킨 후 열을 가해주기만 하는 단순한 방법으로 촉매를 합성했다.
산화구리알루미늄(Al2CuO4) 나노시트(sheet)에 산화구리(CuO) 나노입자가 균일하게 올려져 있다.
에틸렌 합성 반응은 다단계 합성 반응이라 부산물이 생기기 쉽다.
이번 촉매는 두 성분이 각각 다른 단계의 촉매 반응을 나눠 분담해 에틸렌 합성 반응만 빠르게 많이 일어날 수 있게 했다.
일산화탄소의 탄소끼리 서로 만나 에틸렌(C2H4)의 탄소결합을 형성하는 가장 까다로운 반응인 탄소-탄소 커플링 과정을 해결했다.
산화구리 표면에서는 이산화탄소(CO2)가 일산화탄소(CO)로 바뀌는 반응이, 산화구리알루미늄에서는 탄소-탄소 커플링 반응이 잘 일어났다.
산화구리알루미늄이 활성상태 일산화탄소를 잘 붙잡아주는 역할도 해 중간 반응물인 일산화탄소의 농도를 높게 유지할 수 있어 합성 반응도 잘 생성됐다.
연구 성과는 에너지·환경과학 분야의 권위지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’ 3월 22일자로 온라인에 공개됐다.
앞줄 가운데부터 시계 방항으로 권영국 교수, 이호정, 최한샘, 공태훈, 윤아람, 시라즈 술탄 연구원/울산과학기술원 제공
이번 연구에는 이종훈 UNIST 신소재공학과 교수팀, 김우열 KENTECH 교수팀, 김형준 KAIST 교수팀, 시라즈 술탄(Siraj Sultan) UNIST 박사, 이호정 에너지화학공학과 연구원, 윤아람 신소재공학과 연구원 등이 참여했다.
한편 에틸렌은 플라스틱, 각종 건축자재, 비닐, 합성고무 등의 원료로 쓰여 석유화학 산업의 ‘쌀’로 불린다.
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