KAIST와 서울대 공동 연구진이 온실가스 저감에 활용되는 세리아(CeO₂) 촉매의 산소 활용 원리를 규명했다. 촉매의 크기에 따라 공기 중 산소를 직접 사용하는 방식과 내부에 저장된 산소를 활용하는 방식이 달라진다는 사실을 실험적으로 확인한 것이다.

8일 KAIST에 따르면 이 대학 생명화학공학과 이현주 교수와 서울대 한정우 교수, KAIST 박정영 교수 공동연구팀은 세리아 촉매가 크기에 따라 산소를 사용하는 메커니즘이 다르게 작동한다는 점을 세계 최초로 밝혀냈다다.

세리아는 산소를 저장했다가 반응에 활용할 수 있는 금속 산화물 촉매로, 자동차 배기가스 정화와 산업용 배출가스 저감 분야에서 귀금속 촉매를 대체·보완하는 소재로 활용돼 왔다. 다만 산소가 어떤 경로로 반응에 참여하는지는 명확히 규명되지 않았다.

연구팀은 크기가 다른 세리아 촉매를 정밀하게 제작해 산소 이동과 반응 과정을 분석했다. 그 결과, 나노 크기의 작은 세리아 촉매는 공기 중 산소를 빠르게 흡수해 즉각 반응에 사용하는 반면, 상대적으로 큰 세리아 촉매는 내부에 저장된 산소를 표면으로 이동시켜 지속적으로 공급하는 특성을 보였다. 촉매의 크기만 조절해도 반응 조건에 따라 산소 공급 경로를 선택할 수 있다는 점이 확인됐다.

연구팀은 이 메커니즘을 첨단 분광 분석과 인공지능 기반 시뮬레이션을 통해 교차 검증했다. 이어 메탄 제거 반응에 적용한 결과, 작은 세리아 촉매는 낮은 온도와 습도가 높은 환경에서도 공기 중 산소를 활용해 메탄을 안정적으로 산화하는 성능을 보였다. 이는 백금·팔라듐 등 고가 귀금속 촉매 사용량을 줄이면서도 동일하거나 더 높은 성능을 낼 수 있음을 시사한다.

연구진은 이번 성과가 자동차 배기가스 정화 장치와 공장 매연 저감 설비 등 실제 산업 환경에서 활용 가능한 고내구성·저비용 촉매 개발로 이어질 수 있을 것으로 보고 있다.

이현주 교수는 “촉매에서 산소가 작동하는 두 가지 핵심 메커니즘을 명확히 구분했다”며 “반응 환경에 맞춰 촉매를 설계할 수 있는 새로운 기준을 제시한 연구”라고 설명했다.

이번 연구에는 KAIST 생명화학공학과 최윤지 박사과정, 서울대 재료공학부 정석현 박사, KAIST 화학과 한재범 박사과정이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 9일자에 게재됐다.