이산화탄소를 차세대 수소 저장체인 포름산으로 전환하는 반응의 핵심 원리가 국내 연구진에 의해 새롭게 밝혀졌다. 기존 학계의 정설을 뒤집는 결과로, 탄소중립 기술과 수소에너지 활용을 위한 고효율 촉매 개발에 새로운 방향을 제시했다.

고려대학교(총장 김동원)는 KU-KIST융합대학원 백서인 교수 연구팀이 전기화학적 이산화탄소 환원 반응(CO₂RR)에서 포름산이 생성되는 원자 수준의 반응 메커니즘을 규명했다고 12일 밝혔다.

전기화학적 이산화탄소 환원 반응은 이산화탄소를 연료나 화학원료로 전환하는 기술로 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술 가운데 하나로 꼽힌다. 특히 포름산은 에너지 밀도가 높고 수소를 저장·운반할 수 있어 차세대 수소 저장 매체로 주목받고 있다.

그동안 비스무트(Bi) 기반 촉매에서는 이산화탄소가 산소 결합형 중간체(OCHO)를 거쳐 포름산으로 전환된다는 설명이 정설로 받아들여졌다. 그러나 연구팀은 실제 반응 환경을 반영한 분자동역학 시뮬레이션을 통해 해당 중간체가 주변 물 분자와 전해질 이온의 영향으로 형성되기 어렵다는 사실을 확인했다.

반면 일산화탄소(CO) 생성 경로로 알려졌던 탄소 결합형 중간체가 포름산 생성을 주도하는 핵심 단계라는 점을 밝혀냈다. 연구팀은 시뮬레이션 결과에 그치지 않고 분광 분석 실험을 통해 탄소 결합형 중간체의 존재를 확인함으로써 연구 결과의 신뢰성을 높였다.

이번 연구의 의미는 실제 전극-전해질 계면 환경과 전압 효과까지 반영해 반응 과정을 분석했다는 데 있다. 기존의 정적 열역학 계산으로는 설명하기 어려웠던 촉매 반응을 실제 조건에 가깝게 재현함으로써 포름산 생성 원리를 보다 정확하게 규명했다.

연구팀은 이번 성과가 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하는 촉매 설계는 물론 다양한 전기화학 반응의 원리를 이해하는 데도 활용될 것으로 기대하고 있다.

백서인 교수는 “실제 반응 환경을 정밀하게 반영한 동역학 시뮬레이션과 실험 검증을 결합해 복잡한 촉매 반응을 원자 수준에서 규명했다”며 “향후 다양한 촉매 반응의 작동 원리를 예측하고 차세대 촉매를 설계하는 데 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 독일화학회가 발행하는 국제학술지 ‘Angewandte Chemie International Edition’에 게재됐다.