DGIST, 원자 수준 촉매 설계 이산화탄소 자원으로 ‘마법의 설계도’규명

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 인수일 교수 연구팀이 태양광 에너지를 이용해 이산화탄소를 연료로 전환할 때 촉매 원자 수준에서의 상호작용 설계에 따라 생성물과 반응 경로가 달라지는 원리를 규명했다.

대표적 온실가스인 이산화탄소(CO₂)를 유용한 연료나 화학 원료로 바꾸는 기술은 탄소중립 사회를 만들기 위한 핵심 과제다. 태양광을 이용해 온실가스를 자원화하는 '인공 광합성' 기술이 주목받고 있지만, 그동안은 반응의 효율을 높이고 원하는 생성물만을 얻는 선택성을 확보하는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 문제를 해결하기 위해 이산화티타늄(TiO2)이라는 물질 표면에 철(Fe)과 구리(Cu) 원자를 각각 하나씩 떼어 배치한 '단원자 촉매' 시스템을 설계했다. 단원자 촉매는 금속 원자가 개별적으로 흩어져 있어, 아주 미세한 수준에서 전자들의 움직임을 조절할 수 있는 장점이 있다.

연구 결과, 어떤 금속 원자를 사용하느냐에 따라 만들어지는 결과물이 완전히 달라졌다. 철(Fe) 원자를 사용했을 때는 일산화탄소(CO)가 기존보다 55.7배나 더 많이 생산됐다. 반면 구리(Cu) 원자를 사용했을 때는 빛을 받았을 때 촉매 표면에 산소가 빠져나간 자리(산소 공공)가 더 잘 만들어지며 메탄(CH4)이나 에탄(C2H6) 같은 탄화수소 연료가 최대 44.5배 증가했다.

연구팀은 첨단 분석 장비(XAFS, DRIFTS)와 이론 계산(DFT)을 통해 금속 원자가 촉매 내부의 전자 구조를 어떻게 변화시키고, 이것이 어떻게 서로 다른 반응 경로를 만들어내는지 과학적으로 증명했다. 특히 구리 원자가 여러 개의 전자를 반응에 참여시키고 탄소끼리의 결합을 돕는 데 유리하다는 점을 밝혀냈다.

이번 연구는 단순히 촉매의 결함을 이용하는 과거의 방식을 넘어, 원자 수준에서 전자 구조를 조절해 원하는 생성물을 선택적으로 얻을 수 있는 새로운 설계 지침을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

인수일 DGIST 에너지공학과 교수는 “이번 연구는 금속 원자와 지지체 사이의 상호작용을 정밀하게 제어해 이산화탄소 환원 경로를 직접 설계할 수 있음을 보여준 사례”라며, “앞으로도 태양광을 활용한 탄소 자원화 기술의 효율을 높여 기후 위기 대응을 위한 핵심 전략으로 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 서울대 현택환 교수, 고려대 이병훈 교수, 경희대 김민호 교수 연구팀과 공동으로 진행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, InnoCORE 프로그램, 그리고 기초과학연구원(IBS) 연구운영비 지원 등을 통해 수행됐다.