영이온으로 '산업의 쌀' 에틸렌 만드는 방법 첫 개발

포스텍·카이스트 공동 연구팀, 양이온 농도 따라 이산화탄소 환원반응 결정

포스텍·카이스트 공동 연구팀. 왼쪽부터 포스텍 최한솔 박사과정생, 최창혁 교수, 신승재 박사, 카이스트 김형준 교수(태블릿 내). 포스텍 제공

무색의 기체 에틸렌은 플라스틱과 비닐, 합성고무 등 다양한 석유화학 제품의 기초 원료가 되기 때문에 '산업의 쌀'로도 불린다. 에틸렌은 전기화학적 이산화탄소 전환기술을 통해 만들어지는데, 이 과정에서 양이온이 미치는 영향을 국내 연구진이 최초로 밝혀 관심을 모으고 있다.

포스텍(포항공대) 화학과 최창혁 교수·카이스트 화학과 김형준 교수 공동 연구팀은 전기이중층 내 리튬, 나트륨과 같은 알칼리금속 양이온의 종류와 농도에 따라 이산화탄소 환원반응의 활성이 크게 좌우된다는 사실을 규명했다. 이는 양이온이 반응에 영향을 미치지 않는 방관자로 알려져 있던 기존 연구와는 상반된 결과다.

연구성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 최근 게재됐다.

전기화학적 이산화탄소 환원반응은 이산화탄소와 물의 반응을 통해 고부가가치 화합물을 생산하는 기술이다. 생산 과정에서 탄소가 나오지 않기 때문에 신재생에너지로 활용할 수 있다는 것이 강점이다. 실제로 산업에 활용하기 위한 관련 연구는 많지만 아직 명확한 반응 작동원리가 밝혀지지 않은 상황이다.

이에 연구팀은 양자 역학에 기반한 원자 수준의 계산화학적 시뮬레이션을 통해 촉매-전해질 계면 내 양이온과 반응물의 움직임을 이론적으로 분석했다. 그 결과 양이온이 이산화탄소와 직접 결합하며 반응을 촉진시키는 것으로 나타났다.

또 연구팀은 양이온의 농도에 따른 에틸렌 생산 속도를 측정해 양이온 농도와 생산 속도가 실제로도 비례한다는 사실도 확인했다.

연구팀은 이 같은 연구결과를 바탕으로, 전극 주변 전기이중층 내 양이온 농도를 증가시키기 위한 전극-전해질 계면 제어 기술을 추가적으로 확보해 고성능 에틸렌 생산에 성공했다.

최창혁 교수는 "양이온의 결합이 에틸렌 생산을 위한 이산화탄소 전환 기술의 핵심 작동원리임을 밝혀냈다"며 "이번 연구성과는 연료전지나 수전해 기술 등의 다양한 에너지 산업에도 폭넓게 활용할 수 있을 것으로 보인다"고 했다.