GIST, 이산화탄소로 고부가가치 화합물 생산 기술 개발

(왼쪽부터) GIST 최민준 박사(현 UIUC), 이재영 교수, 배수안 박사.

광주과학기술원(GIST)은 환경·에너지공학과 이재영 교수(화학에너지 저장 및 변환공정 미래연구센터장) 연구팀이 이산화탄소를 사용해 고부가가치 화합물 '알릴 알코올'을 세계 최고 수준 '부분 고전류밀도'로 생산할 수 있는 전기화학 전환기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

이 기술은 자체 개발한 환원전극촉매 구리인(CuP2)과 산화전극촉매 니켈철(NiFe)를 양극간 간격이 없는 막-전극접합체로 구성, 탄소 원자수가 1개인 이산화탄소를 탄소 원자 수가 3개 이상의 다탄소 고부가가치 화합물(C3+)인 알릴 알코올로 선택적 전환을 통해 생산함으로써, 경제성이 있는 전기화학 탄소 포집 및 활용 기술(e-CCUs)의 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다.

알릴 알코올은 이중 결합을 가진 알릴기와 수산기를 함께 포함한 구조로, 다양한 화학 반응에 활용될 수 있는 매우 유용한 물질이다. 특히 플라스틱, 접착제, 살균제, 향료 등 여러 산업 분야에서 고분자 화합물을 합성하는 데 필수적인 원료로 사용되며, 그 산업적 가치가 매우 높다.

구리인 CuP2 전극촉매를 통한 이산화탄소로부터의 다탄소화합물(C3+) 생산 가능한 e-CCUs 기술.

이산화탄소의 전기화학적 환원 기술은 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 유용한 물질로 전환할 수 있는 탄소중립 시대의 핵심 기술이지만, 알릴알코올과 같은 탄소 원자 수가 3개 이상인 고부가가치 화합물을 선택적으로 생산하는 것은 패러데이 효율이 15% 미만으로 매우 낮으며, 반응 경로가 복잡하고 중간체의 안정성도 떨어져 기술적인 제약이 컸다.

특히 액체 상태의 고부가가치 화합물은 탄소-탄소 결합을 만드는 것이 까다롭고 반응 중간체의 안정성이 떨어져 생산이 매우 까다로운 것으로 알려져 있다.

하지만 이번 연구에서 개발된 기술은 66.9%의 패러데이 효율을 달성했으며, 이는 기존 최고 기술보다 효율이 약 4배 높은 수준이다. 이처럼 높은 효율은 불필요한 부산물 생성은 최소화하고, 원하는 물질만을 선택적으로 생산할 수 있는 촉매의 탁월한 선택성을 입증한다.

이번 연구에서는 기존에 널리 알려진 '일산화탄소를 거치는 반응 경로'가 아닌, 포르메이트(HCOOad)*라는 중간물질이 포름알데히드(HCOad)로 전환되는 과정에서 탄소-탄소(C?C) 결합이 형성되는 새로운 반응 경로를 밝혀냈다. 이는 기존의 통설을 뒤집는 반응 메커니즘으로, 생성물 대부분이 저장과 운송이 용이한 액체 화합물이라는 점에서 상업적 가치를 크게 높인다.

이재영 교수는 "이번에 개발한 이산화탄소 전환공정기술은 이산화탄소 배출에 따른 부담감이 가중되고 있는 석탄·석유화학 산업과 제철 산업에게 위기를 극복할 수 있는 새로운 비즈니스 방향성을 제시할 수 있는 돌파구로 평가받을 수 있다"며 "스케일-업, 즉 규모의 과학기술 접근법을 통해 탄소중립 시대로 나아가는 중요한 발판이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

호남취재본부 민찬기 기자 coldair@asiae.co.kr