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NEW 온실가스를 유용한 자원으로- 조인선 교수팀, 탄소 자원화 기술 개발
- 2026-04-29
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아주대 연구진이 대표적 온실가스인 이산화탄소를 유용한 자원으로 전환할 수 있는 고성능의 비귀금속 촉매를 개발했다. 고가의 귀금속 없이도 높은 반응 효율과 내구성을 갖춰 이산화탄소 자원화 기술의 상용화 가능성을 한 단계 끌어올렸다는 평가다.
조인선 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 구리 산화물(CuO)과 주석 산화물(SnO2)을 결합한 헤테로 계면 기반 전극을 개발해, 전기화학적 이산화탄소(CO2) 전환 반응에서 우수한 성능을 구현했다고 밝혔다.
연구 결과는 ‘고선택성 전기화학적 이산화탄소 환원을 위한 맞춤형 이종계면 및 결함이 풍부한 CuO/SnO2 하이브리드 나노와이어 전기촉매(Defect-rich CuO/SnO2 hybrid nanowires with tailored heterointerfaces for selective electrochemical CO2 reduction)’라는 논문으로 에너지·촉매·환경 분야 저명 국제 학술지 <어플라이드 캐탈리시스 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)> 4월호에 게재됐다.
이번 연구는 아주대를 중심으로 미국 스탠퍼드대·한국화학연구원과의 국제 공동연구로 수행됐다. 제1저자인 아주대 아루무감 시바난탐(Arumugam Sivanantham) 박사는 촉매 합성 및 전기화학 성능 평가 전반을 주도했고, 제2저자인 사마드한 캅세(Samadhan Kapse) 박사는 촉매반응 기구 계산 연구를 수행했다. 스탠퍼드대에서는 이산화탄소(CO2) 전환용 MEA 시스템 설계 및 검증을 지원했다. 한국화학연구원 한길상 박사는 교신저자로서 소재 특성 분석을 지원해 연구의 완성도를 높였다.
최근 기후 위기 대응을 위해 이산화탄소(CO2)와 같은 온실가스의 배출량을 줄이고, 남은 탄소는 제거하거나 흡수하는 ‘탄소중립’이 전 지구적 과제로 인식되고 있다. 이에 산업 배기가스나 대기 중의 이산화탄소를 유용한 고부가가치 물질로 바꾸는 ‘탄소 자원화’ 기술이 주목받고 있다. 이산화탄소를 여러 공정을 통해 플라스틱이나 시멘트, 콘크리트 등으로 활용할 수 있는 것.
‘탄소 자원화’를 위한 여러 기술 중 하나인 전기화학적 이산화탄소 환원기술은 재생에너지로부터 만들어진 전기를 활용해 온실가스인 이산화탄소를 일산화탄소(CO)를 비롯한 고부가가치의 기초 화학 원료로 전환할 수 있다. 그러나 아직 이 기술은 상용화되지 못하고 있다. 기존에 활용되어 온 전극은 금(Au)·은(Ag) 등 고가의 귀금속 촉매에 의존해야 했고, 촉매의 상용화를 위해 꼭 필요한 반응 선택성과 장기 안정성에도 한계가 있었기 때문이다.
아주대 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 1300°C 이상 초고온 화염 기반의 고속 합성 공정을 활용해 구리 산화물(CuO) 나노와이어 표면에 주석 산화물(SnO2) 나노클러스터 계면을 정밀하게 설계하는 전략을 적용했다.
이 공정은 단 10초 만에 완료되며, 그 과정에서 표면 재구성이 일어나 Cu⁺ 이온과 산소 공공(결함)이 풍부한 CuO/SnO2 헤테로 계면이 형성된다. 이 계면은 이산화탄소(CO2) 흡착을 강화하고 핵심 반응 중간체(*COOH/*CO)를 안정화해 일산화탄소(CO) 생성 선택성을 크게 높이는 동시에, 경쟁 반응인 수소 발생 반응(HER)을 효과적으로 억제한다.
연구팀은 이러한 전략을 실제 산업계에서의 환경과 가까운 조건에서 입증해내는 데에도 성공했다. 실제 이산화탄소 전환 장치에 사용되는 제로-갭(Zero-gap) 구조의 막전극접합체(MEA) 셀을 이용해 고전류 조건에서 실험을 진행한 것.
이러한 조건에서 개발된 전극은 최대 92%의 CO 선택도를 기록했으며 350시간 이상 안정적인 장기 구동에도 성공했다. 이는 기존 촉매의 낮은 내구성 문제를 극복한 것으로, 이산화탄소 자원화 기술의 실질적인 상용화 가능성을 보여준 사례로 평가된다.
아주대 조인선 교수는 “화염 합성 기반의 헤테로계면 및 결함 공학이 비귀금속 촉매의 성능 한계를 돌파하는 효과적인 설계 원리임을 실증한 연구”라며 “상용 시스템에서 350시간 이상의 안정적 구동을 확인함으로써, 향후 대규모 탄소 자원화 공정으로의 실질적인 적용 가능성을 제시했다는 데 의의가 있다”라고 말했다.
* 위 그림 - 이산화탄소(CO2)를 일산화탄소(CO)로 전환하는 새로운 촉매 전극과 그 성능을 보여주는 이미지