연구성과

화공 김원배 교수 공동연구팀, “산소 빈자리“ 많을수록 온실가스 전환 잘 된다

2020-11-17 287

[망간산화물 촉매의 CO2 전환반응 성능 향상]

세계 각국에서는 지구온난화의 주요 원인인 이산화탄소를 줄이고, 이를 부가가치가 높은 물질로 전환하는 노력을 하고 있다. POSTECH은 한국에너지기술연구원과 공동연구를 통해 최근 이산화탄소를 연료나 플라스틱 등을 만드는데 사용되는 원료물질인 일산화탄소로 바꿀 수 있는 촉매를 개발했다.

화학공학과 김원배 교수·한현수 박사과정 연구원은 한국에너지기술연구원 서민호 박사·진송 박사과정 연구원과 함께 플라즈마 처리 기법을 활용하여 금속산화물 표면에 산소 공공(空孔)*1을 형성시켜 이산화탄소 전환반응에 대한 금속산화물 촉매 성능을 획기적으로 향상시켰다. 이 연구성과는 최근 국제 학술지 ‘나노에너지(Nano Energy)’에 게재됐다.

이산화탄소를 일산화탄소로 전환하기 위해서는 촉매의 성능이 중요하다. 이를 위해 촉매에 ‘산소 공공’을 도입하는 연구가 진행되고 있는데, 기존 방법들은 합성과정에서의 불순물 발생, 긴 합성시간, 산소 공공 제어의 어려움 등의 문제점이 있었다.

산소 공공은 촉매재료의 결정 구조에서 산소원자나 이온이 빠져 비어버린 자리를 의미하는데, 두 개의 전하를 가진 산소 음이온(O2-) 하나가 사라지면, 전기적 중성을 맞추기 위해 자유전자가 생성되게 되고 연구팀은 이런 산소 공공의 수가 많아지면 금속산화물 촉매 표면에 전자가 풍부해지는 특성을 이용했다.

연구팀은 고도화된 표면처리 기술인 플라즈마*2 처리 기법을 활용하여 간단하고 빠르게 촉매성능이 향상된 망간산화물 구조체를 만들었다. 이때 망간산화물 촉매에 존재하는 산소 공공은 아르곤(Ar) 플라즈마 처리를 통해 증가하고, 산소(O2) 플라즈마 처리를 통해서는 감소한다.

연구팀은 산소 공공의 농도가 증가함에 따라 표면에 전자가 풍부하게 존재하는 촉매가 이산화탄소를 효과적으로 흡착하고, 전하 전달을 촉진해 일산화탄소로 빠르게 전환할 수 있음을 확인했다. 이런 성질을 활용하면, 발전소나 제철소에서 배출하는 배기가스에 포함된 이산화탄소를 바로 처리할 수도 있다.

김원배 교수는 “이번에 개발한 플라즈마 처리를 통해 산소 공공의 농도가 제어된 망간산화물 촉매는 이산화탄소를 산업적 활용성이 높은 일산화탄소로 선택적이고 고효율로 생산할 수 있다는 장점이 있다”며 “이산화탄소 전환용 금속산화물 전극 촉매 개발에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구지원사업, 산업통상자원부 한국에너지기술평가원을 통한 고로기반 CO2 저감형 Hybrid 제철기술 개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
 


1. 산소 공공(oxygen vacancy)
결정 구조에서 원자나 이온이 빠져 산소가 비어버린 자리. 산소 결함, 산소 결핍

2. 플라즈마
초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태