이산화탄소(CO2)는 지구 온난화를 일으키는 대표적인 온실가스이다. 전 세계가 탄소중립을 향해 나아가는 가운데, 단순히 배출을 줄이는 것을 넘어 CO2를 다시 쓸모 있는 연료나 원료로 바꾸는 기술이 주목받고 있다. 이를 CO2 직접 전환(direct CO₂ conversion)이라 부른다. 이번에 소개할 세 편의 논문은 서로 다른 촉매(화학반응을 돕는 물질)를 개발해 CO2를 항공유 등 액상 연료나 화학원료로 만드는 방법을 제시했다. 공통점은 모두 CO2와 수소(H2)를 반응시켜 고부가가치 제품을 만드는 ‘수소화 반응을 이용했다는 점이다.

1. 철–지르코니아 촉매로 ‘긴 사슬’ 액체연료 만들기

첫 번째 연구는 철(Fe)과 지르코니아(ZrO2)를 결합한 촉매로 CO2를 장쇄 탄화수소(C5 이상)로 전환하는 기술이다. 장쇄 탄화수소는 휘발유나 경유 같은 액체연료의 핵심 성분이다. 이 촉매는 반응 조건에서 750시간(한 달 이상) 동안 성능을 유지하며, 세계 최고 수준인 C5+ 수율 26%를 달성했다. 지르코니아는 단순한 지지체 역할을 넘어서, 철 입자의 뭉침을 막고 반응성을 높이며, 전자 구조까지 조절하는 다기능 촉진제로 작용했다.

논문명: High-yield pentanes-plus production via hydrogenation of carbon dioxide: Revealing new roles of zirconia as promoter of iron catalyst with long-term stability

저널명: Journal of Energy Chemistry

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.11.010

2. 코발트–지르코니아 촉매로 메탄 대신 ‘고급 탄화수소’ 생산

두 번째 연구는 코발트(Co)와 지르코니아를 활용해 CO2 수소화 반응에서 흔히 나타나는 ‘메탄 폭주’를 억제하고, 대신 휘발유·등유·경유에 쓰이는 C5+ 이상 탄화수소를 선택적으로 생산하는 방법을 개발했다. 이 촉매는 코발트와 지르코니아 계면에서 CO2를 효과적으로 활성화해 메탄 대신 더 긴 탄화수소 사슬을 만드는 반응 경로를 강화했다. 장기간 반응에서도 안정적으로 작동해, 산업적 적용 가능성이 높다.

논문명: Elucidating the role of ZrO2 in a cobalt catalyst in the direct hydrogenation of CO2 to C5+ hydrocarbons

저널명: Journal of Energy Chemistry

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.05.004

3. 나트륨–구리–철 촉매로 ‘고급 알코올’ 제조

세 번째 연구는 나트륨(Na), 구리(Cu), Fe를 조합해 CO2를 C2 이상 알코올(에탄올, 프로판올 등)로 바꾸는 기술을 선보였다. 알코올은 연료 첨가제나 화학제품 원료로 활용 가치가 크다. 나트륨이 촉매 표면의 염기성을 높여 CO2 흡착과 C–C 결합 형성을 촉진했고, 촉매의 산소공석 구조가 수소 활성화에 도움을 주었다. 덕분에 높은 선택성과 안정성을 동시에 확보했다.

논문명: Tandem reductive hydroformylation: A mechanism for selective synthesis of straight-chain α-alcohols by CO2 hydrogenation

저널명: Applied Catalysis B: Environmental and Energy

DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124978

본 연구는 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 배출된 CO2를 그대로 쓰레기로 버리지 않고, 연료·원료로 재활용 가능성을 증명했으며, 기존 정유산업과 호환 가능한 액체연료·화학원료 생산이 가능할 것이다. 또한, 장기 안정성, 높은 수율, 선택성 등에서 세계 최고 수준의 성과를 이뤘다. 이번 연구들은 CO2를 ‘골칫거리’에서 ‘자원’으로 바꾸는 미래 기술의 방향을 보여준다. 철, 코발트, 구리 등 비교적 널리 쓰이는 금속을 기반으로 하면서도, 미세한 구조 제어와 전자구조 조절을 통해 반응 효율과 안정성을 극대화했다. 이 성과들은 단순히 실험실 연구에 그치지 않고, 앞으로 정유·석유화학·연료 생산 산업의 판도를 바꿀 수 있는 잠재력을 가진다.