고려대, CO₂가 수소 저장체로 바뀌는 비밀 풀었다[과학을읽다]

김종화 기자

입력 2026.06.12 11:14

포름산 생성 메커니즘 규명…학계 정설 뒤집어
"산소 결합 아닌 탄소 결합 중간체가 반응 주도"

이산화탄소(CO₂)를 차세대 수소 저장체인 포름산(Formic Acid)으로 바꾸는 과정의 핵심 메커니즘이 국내 연구진에 의해 규명됐다. 기존 학계 정설을 뒤집는 결과로, 향후 탄소중립과 수소에너지 기술 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.

고려대학교 KU-KIST융합대학원 백서인 교수 연구팀은 전기화학적 이산화탄소 환원 반응(CO₂RR) 과정에서 포름산이 생성되는 원자 수준의 반응 메커니즘을 규명했다고 12일 밝혔다.

연구에서 제안한 이산화탄소-포름산 전환 메커니즘을 나타낸 모식도. 연구팀 제공

전기화학적 이산화탄소 환원 반응은 대기 중 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환하는 기술이다. 특히 포름산은 에너지 밀도가 높고 필요할 때 수소를 꺼내 사용할 수 있어 차세대 수소 저장체로 주목받고 있다.

학계 정설 뒤집은 포름산 생성 원리

그동안 학계에서는 비스무트(Bi) 기반 촉매에서 이산화탄소가 '산소 결합형 중간체(*OCHO)'를 거쳐 포름산으로 전환된다고 알려져 있었다. 하지만 연구팀은 실제 반응 환경을 정밀하게 모사한 분자동역학 시뮬레이션을 통해 이 경로가 억제된다는 사실을 확인했다.

대신 일산화탄소(CO) 생성 경로로 알려졌던 '탄소 결합형 중간체(*COOH)'가 포름산 생성의 핵심 경로로 작용한다는 점을 밝혀냈다. 이는 포름산 생성 메커니즘에 대한 기존 학계의 이해를 뒤집는 결과다.

연구팀은 물 분자와 전해질 양이온, 반응 중간체 등 실제 전극-전해질 계면에서 작용하는 다양한 요소를 통합적으로 고려한 분자동역학 시뮬레이션을 수행했다. 또한 시뮬레이션으로 예측한 탄소 결합형 중간체의 존재를 분광 분석 실험을 통해 직접 검출하며 연구 결과의 신뢰성을 높였다.

연구진 사진. (왼쪽부터) 정현동 고려대 KU-KIST융합대학원 석박통합과정(제1저자), 백서인 고려대 KU-KIST융합대학원 교수(교신저자), 쿤장(Kun Jiang) 푸단대학교 교수(교신저자). 고려대 제공

이번 연구는 기존의 정적인 열역학 계산을 넘어 실제 반응 환경과 전압 조건까지 반영한 동적 모델링을 적용했다는 점에서도 의미가 크다. 연구팀은 이번에 구축한 연구 플랫폼이 향후 다양한 전기화학 촉매 반응의 원리를 규명하고 고성능 촉매를 설계하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

백서인 교수는 "실제 반응 환경을 정밀하게 모사한 동역학 시뮬레이션과 실험 검증을 결합해 복잡한 촉매 반응 메커니즘을 원자 수준에서 규명했다"며 "향후 다양한 촉매 반응을 이해하고 예측하는 연구에 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.