고려대학교(총장 김동원) KU-KIST 융합대학원 백서인 교수 연구팀은 전기화학적 이산화탄소 환원 반응에서 구리 단원자 촉매가 재구성되는 원인을 규명했다고 5일 밝혔다.

전기화학적 이산화탄소 환원 반응은 대기 중 이산화탄소를 에틸렌과 에탄올 등 고부가가치 화합물로 전환하는 기술로, 탄소중립 실현을 위한 핵심 에너지 기술로 평가된다. 이 과정에서 구리 단원자 촉매는 반응 중 나노입자나 클러스터로 구조가 바뀌는 특성을 보이지만, 그 원리는 충분히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 물 분자와 반응 중간체, 배위 환경을 통합적으로 고려한 분자동역학 시뮬레이션을 통해 반응 메커니즘을 분석했다. 그 결과 구리 단원자가 질소-수소 배위 구조를 유지한 상태에서 일산화탄소 중간체가 흡착될 경우 구리 원자의 용출이 촉진된다는 점을 확인했다.

용출된 구리 이온은 전해질 내에서 응집해 클러스터를 형성한 뒤 다시 촉매 표면에 재증착되며 입자로 성장한다. 이 과정에서 실제 반응을 주도하는 새로운 활성점이 형성되는 것으로 나타났다.

연구팀은 이번 연구가 실제 반응 환경을 반영한 동역학 시뮬레이션을 통해 촉매 재구성 원인을 원자 수준에서 규명했다는 점에서 의미가 크다고 설명했다. 또 구축된 분석 플랫폼이 다양한 촉매의 거동을 예측하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 3월 11일 게재됐다.

이번 연구는 산업통상자원부 탄소중립 산업 핵심기술 개발사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 고려대학교 연구과제 지원, 한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨팅 자원 지원을 받아 수행됐다.