켄텍, 이산화탄소→고부가가치 화학물질 전환 연구 ‘주목’

탄제완 한국에너지공과대학교 교수

한국에너지공과대학교(켄텍)가 이산화탄소를 고부가가치 화학물질로 전환하는 연구 성과를 제시해 주목받고 있다.

13일 켄텍에 따르면 에너지공학부 탄제완 교수가 참여한 국제공동연구팀은 카이랄 구조 기반 전극을 활용해 전자의 ‘스핀(spin)’ 상태를 조절, 이산화탄소 전기환원 반응의 선택성을 높일 수 있는 새로운 전극 설계 원리를 제시했다.

이산화탄소 전기환원 기술은 태양광·풍력 등 재생에너지 전기를 활용해 CO2를 화학 원료나 연료로 바꾸는 대표적인 탄소중립 기술로 꼽힌다. 하지만 실제 반응 환경에서는 물이 함께 존재하면서 이산화탄소 전환과 동시에 수소 발생 반응이 쉽게 일어나 에너지 효율과 생성물 선택성이 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 이 같은 문제 해결을 위해 ‘카이랄성(Chirality)’과 전자의 스핀 특성에 주목했다. 카이랄성은 왼손과 오른손처럼 서로 거울상 관계이지만 완전히 겹쳐지지 않는 구조적 특성을 의미한다. 전자는 전하뿐 아니라 작은 자석과 같은 성질인 스핀을 갖는데, 특정 카이랄 구조에서는 전자의 스핀 방향에 따라 전자 전달 특성이 달라질 수 있다는 점에 착안한 것이다.

연구팀은 카이랄 구조를 가진 구리 전극을 제작해 전극 표면에서 특정 스핀을 선택적으로 전달하는 환경을 구현했다. 이를 통해 이산화탄소 환원 반응에는 유리하고 수소 발생 반응에는 불리한 반응 조건을 조성하는 데 성공했다.

실제 시간분해 광학 측정 결과 카이랄 구리 전극 표면에서는 스핀 분극 현상이 관찰됐으며, 전기화학 분석에서도 일반 구리 전극 대비 수소 발생 반응은 억제되고 이산화탄소 환원 생성물의 선택성은 높아진 것으로 나타났다.

탄제완 교수는 “이산화탄소 전기환원에서는 원하는 반응을 얼마나 빠르게 유도하느냐뿐 아니라 원하지 않는 수소 발생 반응을 얼마나 효과적으로 억제하느냐가 핵심”이라며 “이번 연구는 카이랄 전극 기반 스핀 제어가 전기화학 반응 선택성을 조절하는 새로운 설계 전략이 될 수 있음을 보여준 사례”라고 설명했다.

이어 “향후 촉매의 조성이나 구조, 표면 상태뿐 아니라 전자의 스핀 상태까지 함께 설계한다면 이산화탄소 전환뿐 아니라 수소 생산, 질소 환원 등 다양한 에너지 전환 기술 분야에서도 새로운 가능성을 열 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

한편 이번 연구 성과는 국제학술지 Nature Energy에 ‘Chirality-induced spin selectivity as a mechanism to control product selectivity during electrochemical CO2 reduction’ 제목으로 게재됐다.