□ 한국화학연구원(원장 이규호)은 로렌스버클리국가연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory,
LBNL)의 Alexis T. Bell 교수 및 인공광합성공동연구센터*(Joint Center for Artificial Photosynthesis,
JCAP) 연구자들과의 공동연구를 통해, 지구온난화의 주범으로 꼽히는 이산화탄소를 유용한 자원으로
바꾸기 위한 전기화학적 전환기술의 효율을 높이는 메커니즘을 규명했다.
* JCAP은 미국 에너지부(DOE) 혁신허브로 설립되어 태양빛, 물, 이산화탄소만으로 연료를 생산하는 효율
적인 방법을 찾는 것을 주요 미션으로 하고 있다. 1기(2010~2015년): 1억 2,500만 달러, 2기(2015~2020년):
7,500만 달러
○ 이산화탄소를 자원으로 전환하는 본 기술은, 전해 시스템*을 이용하여 이산화탄소를 석유화학 공업의
기본 원료인 메탄, 에틸렌, 에탄올, 또는 일산화탄소 등으로 전환하는 기술이다. 2015 파리 기후변화
협약에 따라 이산화탄소 감축 요구가 늘어나면서, 미국 유럽 등 선진국에서 관련 연구가 활발하게 진행
되고 있다.
* 전극과 전해질로 구성되어 있으며, 전압을 걸어주면 이산화탄소가 전극에서 촉매 반응을 일으켜 유용한
화학 원료를 생성할 수 있다.
○ 그러나 기존 전해 시스템은 이산화탄소로부터 원하는 물질로 전환하는 효율이 낮아*, 상용화를 위해
서는 효율 및 생산성을 높이는 것이 시급하다.
* 전기화학적 이산화탄소 환원 과정에서 물이 수소 이온과 수산화 이온으로 분해되는데, 수소 이온은
이산화탄소와 화학반응을 일으켜 유용한 화학원료를 만들지만, 수산화 이온은 그대로 남게 된다. 이로
인해 전극 표면의 pH(용액의 산성도를 가늠하는 척도)가 높아지게 되어 반응에 참여할 수 있는 이산화
탄소의 농도가 떨어져 결과적으로 이산화탄소로부터 원하는 물질을 생산하는 효율이 낮아진다.
○ 그동안 전해질 속 알칼리 금속 양이온의 크기가 효율에 영향을 미칠 수 있다는 사실이 알려진 바 있으나,
원인규명이 이뤄지지 못했다.
□ 연구팀은 전해질에 포함된 알칼리 금속 양이온의 종류에 따라, 이산화탄소 전환 효율이 달라지는 현상
을 실험적·이론적으로 최초로 규명하였다.
○ 이산화탄소의 전기화학적 전환을 위해서는 전극(촉매)가 필요한데, 일반적으로 금, 은, 구리 등이 사용
된다. 금과 은 촉매를 쓸 경우 이산화탄소로부터 일산화탄소와 수소를 생성할 수 있고, 구리 촉매를 쓰면
탄화수소(메탄, 에틸렌)와 알코올(에탄올)을 생성할 수 있는데, 전해질의 알칼리 금속 양이온의 크기에
따라 최종 생성물질의 생산량이 달라지는 것을 확인했다.
○ 전해질에 포함된 알칼리 금속 양이온*(리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs))의
크기가 증가할수록 가수분해 현상**을 활성화하며, 이는 전극 표면의 pH가 상승하는 것을 완화
하여 이산화탄소 환원 효율을 높일 수 있다.
* 알칼리 금속 양이온 크기: Li < Na < K < Rb < Cs
** 일반적으로 화합물이 물과 반응해서 일어나는 분해 현상. 수화된 양이온 클러스터(금속 양이온은 수용
액상에서 물 분자에 둘러쌓인 클러스터를 형성)에서 물분자(H2O)의 H+가 분리되어 이산화탄소 환원 과정
에서 전극 표면에 생성된 OH-와 반응하여 물을 생성하며, 이를 통해 전극 표면의 pH 상승을 억제한다.
○ 구체적으로는, 구리 촉매를 이용했을 때 큰 양이온인 세슘(Cs)을 선택할 경우 작은 리튬(Li) 양이온을
선택한 경우보다 동일 전압에서 40배 많은 에틸렌과 에탄올 생산량을 나타냈다. 은 촉매의 경우,
세슘(Cs) 양이온을 사용하면 리튬(Li) 양이온을 사용한 경우보다 동일 전압에서 약 4배 높은 일산화탄소
생성량을 나타냈다.
□ 화학(연) 권영국 박사는 “전기화학 촉매반응에서 양이온이 미치는 영향을 근본적으로 이해할 수 있게
되었으며, 특히 전기화학을 이용한 이산화탄소 전환 및 이를 통한 연료 생성 기술의 상용화를 크게
앞당길 수 있게 되었다”고 연구의의를 밝혔다.
○ 화학(연) 권영국 박사는 로렌스버클리국가연구소의 인공광합성공동연구센터에 재직했을 때부터 Alexis
T. Bell 교수 외 JCAP 연구자들과 본 연구를 수행하였으며, 연구원 입원 후에 추가 공동 연구를 수행하여
결과를 도출했다. 금번 연구결과는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)*(2016년
9월 14일자)에 게재되었다.
* 영문 제목 : Hydrolysis of Electrolyte Cations Enhances the Electrochemical Reduction of CO2 over Ag
and Cu