신소재공학부 백정민 교수 연구팀, 이산화탄소 활용 에탄올 생산 전기화학촉매 개발

- 구리-도파민 복합체 및 수열합성기술을 활용한 고효율 촉매 개발

- 국제적 학술지 Applied Catalysis B: Environment and Energy 게재

▲ (왼쪽부터) 성균관대 백정민 교수, 최재영 교수, 한국과학기술연구원 오형석 박사, 이동기 박사

신소재공학부 백정민 교수 연구팀과 최재영 교수 그리고 한국과학기술연구원의 오형석 박사, 이동기 박사 연구팀이 이산화탄소를 이용하여 에탄올을 생산하는데 있어서 낮은 전압에서 높은 패러데이 효율을 보이는 전기화학 촉매를 개발하였다.

전기화학적 이산화탄소 환원반응(CO2 RR)은 다른 고온에서의 비균일 촉매반응과 비교하여 수액상에서 이산화탄소를 연료로 변환하는 이점을 갖고 있는데 이를 통해 에탄올 및 아세테이트 등 경제적 가치가 높은 제품을 생산할 수 있다. 특히, e-에탄올은 친환경적이고 지속 가능한 연료 솔루션으로 주목받고 있어 향후 폭발적인 수요 증가가 예상되며, CO2 배출의 감소 효과도 크다. 하지만 다양한 촉매 개발에도 불구하고 C-C 결합에 대한 높은 에너지 장벽과 에틸렌에 대한 높은 선택성 등으로 인해 낮은 패러데이 효율을 보이며 Cu 소재의 불안정성으로 인해 내구성 또한 낮았다.

▲ 백정민 교수 연구팀이 이산화탄소를 이용하여 에탄올을 생산할 때, 낮은 전압에서 높은 패러데이 효율을 보이는 전기화학 촉매를 개발하였다.

백정민 교수 연구팀은 이러한 한계를 돌파하고자 구리-아민(Cu-도파민) 복합체와 저온(160℃) 수열합성 전략을 이용하여 카본 양자점에 원자 단위로 분산된 독립 구리 원자를 함유하는 촉매를 합성하는 방법을 개발하였고 낮은 전압(0.2V)에서 높은 패러데이 효율(>80%)과 안정성을 보여주었다.

특히, 일반적으로 Cu 금속과 유기 전구체를 혼합한 후 400~1,000℃의 고온 탄화 공정을 거치는데 반해, 이 촉매는 160℃의 낮은 온도에서 합성되어 가격 경쟁력이 매우 우수하며 촉매 내의 금속 고정 리간드를 안정화시키는 새로운 전략으로 기존 촉매보다 높은 Cu 함량 (>1.74 wt.%)을 얻을 수 있었다.

백정민 교수는 “다양한 금속 및 카본 전구체를 활용하여 안정적으로 에탄올 생산량을 증가시키는 연구를 진행하고, 향후 실증 실험을 통해 그 적용 가능성을 점검할 예정”이라고 밝혔다.

연구팀의 이번 연구 결과는 Applied Catalysis B: Environment and Energy (IF: 22.1)에 발표되었으며, 2023년 선정된 한국연구재단 미래융합파이오니어 사업의 지원을 받아 수행되었다.

※ 논문명: Highly selective and low-overpotential electrocatalytic CO2 reduction to ethanol by Cu-single atoms decorated N-doped carbon dots

※ 논문링크: doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.123694