최창혁 포스텍 화학과 교수 연구팀이 이산화탄소를 유용한 자원으로 전환하는 구리 촉매의 성능 향상 원리를 세계 최초로 원자 수준에서 규명했다. 연구팀은 고려대 김세호 교수, 경희대 신혜영 교수와의 공동연구를 통해 그동안 단순한 불순물로 여겨졌던 전해질 유래 나트륨 이온(Na⁺)이 촉매 내부에서 핵심 활성 부위를 안정화해 이산화탄소 환원 반응의 효율을 높인다는 사실을 밝혀냈다. 이번 성과는 촉매 설계의 새로운 방향을 제시한 연구로 평가받으며 국제학술지 『Nature Catalysis』에 게재됐다.

 연구팀의 이승훈 대학원생은 반응 직후 시료를 극저온으로 급속 냉각한 뒤 원자 단위까지 분석할 수 있는 극저온 원자탐침단층촬영법(Cryo-APT)을 활용해 나트륨 이온의 분포를 정밀하게 관찰했다. 그 결과, 나트륨 이온이 촉매 표면에만 존재하는 것이 아니라 촉매 내부 수십 나노미터 깊이까지 침투해 나노 크기의 결함에 포획되며 미세구조를 형성한다는 사실을 확인했다. 이어 실시간 라만 분광법을 통해 나트륨 이온이 이산화탄소 환원 반응의 핵심 활성종인 1가 구리(Cu⁺)를 안정적으로 유지시켜 촉매 활성을 높이는 메커니즘도 규명했다.

 최창혁 교수는 "이번 연구는 촉매 내부에 유입된 나트륨 이온이 활성점을 안정화하는 역할을 원자 수준에서 처음 밝혀낸 성과"라며, "앞으로 전해질 조성과 촉매 미세구조의 상관관계를 규명해 수전해와 질소환원 등 다양한 전기촉매 시스템으로 연구를 확장해 나갈 계획"이라고 밝혔다. 이번 연구는 이산화탄소를 일산화탄소나 에틸렌 등 고부가가치 화학물질로 전환하는 차세대 탄소중립 기술의 효율을 높일 수 있는 기반을 마련했다는 점에서 의미가 크다.

[발췌: 동아사이언스]