국내 연구팀이 최첨단 양자 역학 시뮬레이션을 이용해서 “온실가스를 다른 유용한 물질로 전환할 수 있는 고효율 전기화학 촉매 설계 기술”을 개발했다.

※ 양자역학 시뮬레이션 : 양자역학을 이용해서 화학반응을 원자 수준에서 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 방법

연구팀은 고성능 슈퍼컴퓨터(KISTI 타키온)를 활용하여 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는데 필요한 새로운 촉매를 설계하고, 이를 활용하여 높은 효율로 전환할 수 있음을 양자역학 시뮬레이션을 통해 증명하였다. 향후 이를 기반으로 다양한 전기화학 분야에서 고성능 촉매를 설계·개발할 수 있을 것으로 예상된다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 “하이브리드인터페이스기반미래소재연구단(단장 김광호)”의 지원으로 김형준 연구팀(한국과학기술원)이 수행햤으며, 연구결과는 화학분야의 세계적인 학술지인 ‘Journal of the American Chemical Society’에 온라인으로 게재됐다.

현재 환경문제로 인해 온실가스(주로 이산화탄소)를 다양한 방법으로 유용한 물질로 전환하여 재활용할 수 있는 기술에 대한 요구가 커지고 있으나 전환 효율이 낮아 상용화에 한계가 있다.

이러한 상황에서 기본적으로 효율이 높은 전기화학적 전환 기술에 많은 관심이 기울여져 왔으며 고성능·고효율의 전기화학 촉매를 개발하기 위한 시도가 계속되어 왔다. 그러나 이산화탄소 전환에 필요한 에너지를 상용화가 가능한 수준으로 낮출 수 있는 촉매 후보는 아직 개발되지 않고 있다.

연구팀은 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 새로운 고성능·고효율의 촉매를 설계하기 위해 기존 촉매로 사용되고 있는 은(Ag) 표면에 34종의 다양한 원소를 미세하게 첨가하여 이산화탄소가 일산화탄소로 전환되는데 필요한 에너지를 양자역학 시뮬레이션을 통해 조사했다.

그 결과 황(S) 원소가 함유된 촉매가 사용될 경우, 은만 촉매로 사용하여 이산화탄소를 일산화탄소로 전환할 때 필요한 전압(0.9V)보다 0.5V 이상 줄일 수 있음을 확인했다. 이러한 결과는 활성점(화학반응이 이루어지는 위치)에서 특별한 전자구조가 반응 중간물질을 선택적으로 안정화시켜 반응에 필요한 에너지를 효과적으로 낮춘 것으로 분석됐다.

연구진은 “이번 성과는 주로 금속들을 조합하여 경험적으로 이루어지던 전기화학 촉매 개발 분야에 새로운 설계 방향을 제안했으며, 향후 온실가스 전환 및 감축 분야에서 새로운 원천소재 개발이나 사용에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의의를 밝혔다.