이산화탄소(CO₂)를 연료와 화학 원료로 바꾸는 차세대 탄소중립 기술에서 기존 촉매 이론의 한계를 국내 연구진이 규명했다.

KAIST는 신소재공학과 오지훈 교수 연구팀이 고려대 화학과 스테판 링에 교수 연구팀과 공동연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 환원 반응의 새로운 작동 원리를 확인했다고 22일 밝혔다.

전환 기술은 전기를 이용해 이산화탄소를 에틸렌·에탄올 등 고부가가치 화학물질로 바꾸는 기술이다. 에틸렌과 에탄올은 플라스틱과 연료, 화학제품 생산에 널리 활용되지만 현재까지 이를 효율적으로 생산하는 금속은 사실상 구리(Cu)뿐으로 알려져 왔다.

기존 촉매 이론은 촉매 표면의 전자 반응성을 나타내는 ‘d-밴드 센터’와 전자를 방출하는 데 필요한 에너지인 ‘일함수’가 구리와 유사하면 다탄소(C2+) 화합물을 생성할 수 있다고 설명해 왔다.

연구팀은 금(Au)·은(Ag)·팔라듐(Pd)을 혼합한 삼성분계 합금 촉매(AuAgPd)를 제작해 실험을 진행했다. 공동-스퍼터링 공정을 통해 전자적 특성이 구리와 매우 유사한 합금을 정밀하게 구현했다.

그러나 실험 결과 해당 합금은 일산화탄소(CO)는 생성했지만 에틸렌·에탄올 같은 다탄소 화합물은 전혀 만들지 못한 것으로 나타났다.

연구팀은 이를 통해 촉매의 전자적 특성만으로는 복잡한 이산화탄소 전환 반응을 설명하기 어렵고, 촉매 표면에서 원자들이 어떤 구조로 배열돼 있는지까지 반응 성능에 영향을 준다는 사실을 확인했다고 설명했다.

이번 연구는 기존의 전자 구조 중심 촉매 설계를 넘어 원자 배열 구조까지 함께 고려해야 한다는 새로운 촉매 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있다고 연구팀은 평가했다.

오지훈 교수는 “기존 촉매 이론만으로는 복잡한 다단계 탄소 전환 반응을 충분히 설명하기 어렵다는 점을 보여준 연구”라며 “앞으로는 전자의 특성과 국소 원자 배열을 함께 고려하는 새로운 촉매 설계 전략이 필요하다”고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 김범일 박사와 왕순언 박사과정생, 고려대 한승창 박사가 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’ 2026년 5월호에 게재됐다.