고려대, 탄소중립 실현 ‘구리 단원자’ 촉매 재구성 원리 규명

[이데일리 김응열 기자] 고려대는 KU-KIST 융합대학원 백서인 교수 연구팀이 전기화학적 이산화탄소 환원 반응 과정에서 발생하는 구리 단원자 촉매의 재구성 원인을 밝혀냈다고 3일 밝혔다.

(왼쪽부터)고려대 KU-KIST 융합대학원의 백서인 교수(교신저자), 정현동 석박통합과정(제1저자). (사진=고려대)

전기화학적 이산화탄소 환원 반응은 대기 중 이산화탄소를 에틸렌, 에탄올 등 고부가가치 화합물로 전환해 탄소중립 실현을 가능케 하는 차세대 핵심 에너지 기술이다. 이때 쓰이는 촉매 중 구리 단원자는 반응 과정에서 구리 나노입자나 클러스터로 재구성되는 특성을 보인다. 하지만 그 메커니즘은 규명되지 않은 상황이었다.

연구팀은 매커니즘을 밝히고자 물 분자, 반응 중간체, 배위 환경 등을 통합적으로 고려한 분자동역학 시뮬레이션을 수행했다. 그 결과 구리 단원자가 두 개의 질소-수소 배위 구조를 유지하면서 동시에 CO* 중간체가 흡착될 때 구리 원자의 용출을 촉진한다는 점을 확인했다.

용출된 구리 이온들은 전해질 내에서 자발적으로 응집해 클러스터를 형성한 뒤 다시 단원자 자리에 재증착되며 입자로 성장했다. 이 과정을 통해 실제 반응을 주도하는 새로운 촉매 활성점을 형성했다.

연구팀은 “이번에 구축된 분석 플랫폼은 향후 다양한 촉매의 동적 거동을 원자 수준에서 이해하고 예측하는 연구에 폭넓게 적용될 것”이라고 말했다.