지구가열화 원인 이산화탄소, 상온에서 실시간 분해

[아이뉴스24 정종오 기자] 지구가열화의 주원인은 이산화탄소이다. 인간 활동으로 배출되는 이산화탄소가 대기권에 쌓이면서 지구 온도가 상승하고 있다. 이 때문에 기후변화가 발생해 세계 곳곳에서 이상 기상현상이 이어지고 있다.

이 같은 대기 중의 온실가스를 제거하면서 미래 청정 연료로 주목받는 메탄올 합성에 필요한 이산화탄소 분해 반응은 탄소중립 달성을 위한 산업계 패러다임 전환 대응에 필요한 핵심 기술이다.

이산화탄소 분자가 화학적으로 매우 안정된 탓에 공업적으로 유용한 화학 물질로의 전환은 여전히 난제로 여겨진다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)는 화학과 박정영 교수 연구팀이 광주과학기술원 (GIST) 물리·광과학과 문봉진 교수 연구팀과 공동연구를 통해 초미세 계단형 구리(Cu) 촉매 표면이 이산화탄소(CO2) 분자를 보다 효과적으로 분해할 수 있음을 입증했다고 26일 발표했다.

포집된 온실가스의 전환은 일반적으로 고온・고압의 촉매 화학반응 환경에서 이뤄지고 있다. 보통 구리 기반 촉매물질을 이용해 이산화탄소 분자가 일산화탄소(CO), 산소 원자(O)로 분해할 때 수십 기압에 이르는 고압 반응환경이 필요하다.

기존 촉매 물질을 개선하고 최적의 이산화탄소 전환 반응을 유도함으로써 온실가스의 전환 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 촉매의 개발이 필요한 실정이다.

상압 전자터널링 현미경(AP-STM) 기술을 활용해 직접 관찰된 연구팀의 이번 연구 결과는, 머리카락 두께의 10만분의 1 크기의 계단형 표면 구조가 온실가스의 분해 반응 향상에 크게 작용한다는 시각적 증거를 처음으로 제시했다.

연구팀은 그 크기가 수 옹스트롬(100억분의 1 미터)에 불과한 이산화탄소 분자는 촉매 물질의 표면 구조에 따라서 반응 활성도가 달라질 수 있다는 점에 착안, 머리카락 두께의 10만분의 1에 불과한 계단형 초미세 구리 표면과 반응하는 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 포착했다.

초미세 계단형 구조를 갖는 구리 원자의 표면 배열은 평평한 구조를 갖는 넓은 구리 표면 구조에 비해 훨씬 낮은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 온실가스의 분해가 상대적으로 쉽다.

연구팀은 관찰 결과, 구리 촉매 표면의 계단 위치와 충돌한 이산화탄소 분자가 상온에서도 쉽게 분해됐음을 확인했다. 나아가 분해된 일산화탄소 분자와 산소 원자가 표면의 구조변화를 동시에 유도함으로써 촉매반응 경로에 영향을 끼칠 수 있음을 발견했다.

박정영 KAIST 교수는 “이번 연구는 기존에 진행된 구리 표면에서의 이산화탄소 촉매 현상의 이해를 뛰어넘는 새로운 발견”이라며 “이를 통해 고효율 이산화탄소 촉매의 개발을 통해 인류의 가장 시급한 문제 중의 하나인 지구온난화와 지속가능성 문제 해결에 기여할 것”이라고 말했다.