수돗물에서도 고성능 유지, 고효율 인공광합성 촉매 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 인공광합성 기술의 상용화를 앞당길 수 있는 새로운 촉매가 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST) 국가기반기술연구본부 민병권 박사 연구팀(황윤정·원다혜 박사)은 고도로 정제된 증류수가 아니라 수돗물을 전해질로 사용하면서도 장시간동안 안정적으로 작동하는 전기화학적 인공광합성 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

연구팀이 개발한 촉매는 탄소나노튜브에 질소를 도핑한 물질로 상용 은 촉매와 같은 수준의 성능을 장시간동안 유지하는 뛰어난 특성을 나타냈다.

인공광합성은 식물의 광합성 작용과 마찬가지로 태양빛과 물, 이산화탄소를 활용해 유용한 자원을 생산하고자 하는 기술로 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 대부분 실험실 환경의 연구에 머무르고 있어 실제 적용까지는 먼 길이 남아 있다.

인공광합성 기술의 실현을 위해서는 이산화탄소를 손쉽게 변환하기 위한 높은 효율의 촉매가 필요하다. 지금까지는 대부분 다양한 불순물로부터 생기는 변수를 최소화하기 위해 고도로 정제된 증류수를 사용하여 촉매를 개발해왔지만 이렇게 개발된 촉매들은 대량 생산을 위한 실제 환경에 적용될 경우 실험실에서와 같은 성능을 보이기는 힘들다.

KIST 연구진은 이같은 문제점을 극복하기 위해 이산화탄소 변환 전기화학 시스템의 가장 기본 구성 요소인 전해질을 초고순도의 증류수가 아닌, 일상생활에서 가장 쉽게 접할 수 있는 대표적 실용수인 수돗물로 바꾸고 연구를 진행했다.

연구팀은 수돗물 환경에서 촉매 성능이 저하되는 이유가 수돗물에 함유된 ‘철’ 성분 때문임을 밝혀내고 이를 극복하기 위한 촉매 구조를 개발했다. 철과 같은 금속 불순물이 촉매에 증착되어도 문제가 없도록 탄소나노튜브에 질소가 함유된 형태의 촉매를 개발했다.

이 촉매는 고가의 상용 촉매인 은 촉매에 버금가는 이산화탄소 전환 성능을 보였다. 은 촉매와 유사한 수준인 일산화탄소 생성 전류 선택도 73%(흐른 전류 대비 일산화탄소 생성에 사용된 전류의 비율)를 낮은 과전압(360 mV) 상태에서 획득하고, 수돗물 환경에서 20분 이내에 성능이 80% 이상 감소하는 은 촉매와 달리 120시간 동안 안정적인 성능을 보이는 전례 없는 기록을 달성했다.

KIST 민병권 본부장은 “본 연구는 일반적으로 실험실 연구 과정에서 쉽게 간과할 수 있는 부분이자 개발 기술들이 직면하게 될 실제 적용 환경에 대한 고찰로 시작했다.”며 “본 연구로 밝혀진 내구성 저해 요소와 탄소 기반 촉매의 장시간 내구성 확보 결과를 통해 인공광합성 기술의 실용화 가능성을 더욱 높일 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행됐으며 연구 결과는 촉매 분야 최고 수준 학술지인 'Applied Catalysis B: Environmental' 최신호에 게재됐다. (논문명: Achieving tolerant CO2 electro-reduction catalyst in real water matrix)