▲ 은 나노선 적층 구조를 활용한 이산화탄소 전해 전극의 구동 개념도(AI 생성 이미지)
버려지던 이산화탄소가 고부가 화학물질로 바뀌는 길이 열렸다. 핵심 장애였던 전극 성능 저하 문제도 함께 풀렸다.
KAIST 화학과 송현준 교수 연구팀이 이산화탄소를 에틸렌 등 플라스틱 원료로 전환하는 전극 기술을 개발했다. 중성 조건에서 86%의 선택성을 확보하며 세계 최고 수준 성능을 기록했다.
이번 성과는 전해 공정의 핵심 난제였던 '침수 현상'을 해결한 데서 출발한다. 전극 내부에 전해액이 스며들며 반응 공간이 줄어드는 문제를 구조 설계로 차단했다.
▲ 왼쪽부터 KAIST 박종혁 박사, 한윤경 석박사 통합과정생, 송현준 교수, 김성주 박사
연구팀은 물을 튕겨내는 기판, 촉매층, 은 나노선 네트워크로 이어지는 3층 구조를 설계했다. 이 구조는 전해액 유입을 막으면서도 전기 전달을 유지하는 역할을 동시에 수행한다.
특히 은 나노선은 단순한 전도체가 아니라 반응에 직접 관여하는 촉매로 작용했다. 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸고, 이어 구리 촉매로 전달되며 다중 탄소 화합물 생성으로 이어지는 협동 반응 구조가 형성됐다.
이 시스템을 적용한 결과 알칼리 조건에서 79%, 중성 조건에서 86%의 높은 선택성을 확보했다. 50시간 이상 장시간 작동에서도 성능 저하 없이 안정적인 반응이 유지됐다.
▲ 다공성 고분자산화구리 촉매은 나노선 네트워크 전극 구조 모식도
연구팀은 이번 구조가 다양한 화학물질 생산으로 확장될 수 있는 기반이 될 것으로 보고 있다. 에탄올, 연료 등으로의 응용 가능성도 제시됐다.
송현준 교수는 "전기 전달과 촉매 반응을 동시에 수행하는 구조를 확인했다"며 "이산화탄소 활용 기술의 설계 방향을 확장하는 계기가 될 것"이라고 설명했다.
연구는 KAIST 박종혁 박사가 1저자로 참여했으며, 국제 학술지 Advanced Science에 게재됐다. /대전=이한영기자
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