KAIST 연구진이 온실가스를 제거하는 촉매에서 산소가 작동하는 방식을 규명했다. 반응 환경에 따라 산소를 선택적으로 사용하는 원리를 밝혀내며 고효율 촉매 설계를 위한 새로운 기준을 제시했다.

 

KAIST 생명화학공학과 이현주 교수와 서울대학교 한정우 교수 그리고 KAIST 박정영 교수가 참여한 공동연구팀은 친환경 촉매로 널리 활용되는 세리아가 크기에 따라 산소를 사용하는 방식이 완전히 달라진다는 사실을 세계 최초로 규명했다고 밝혔다. 연구 결과는 온실가스 저감과 귀금속 촉매 대체 가능성을 동시에 제시한다.

 

세리아는 산소를 저장했다가 필요할 때 꺼내 쓸 수 있는 금속 산화물 촉매로 촉매 분야에서 산소 탱크로 불려 왔다. 그러나 산소가 어떤 경로로 반응에 참여하는지는 명확히 규명되지 않았다. 연구팀은 촉매가 산소를 잘 쓰는지를 넘어 반응 조건에 맞춰 산소를 골라 쓰는지에 주목했다.

 

 

연구 결과 작은 크기의 세리아 촉매는 공기 중 산소를 빠르게 받아들여 즉각 반응에 사용하는 순발력형으로 작동했다. 반면 상대적으로 큰 세리아 촉매는 내부에 저장된 산소를 표면으로 이동시켜 지속적으로 공급하는 지구력형 특성을 보였다. 촉매의 크기만 조절해도 공기 중 산소와 저장 산소 중 어떤 산소를 사용할지 선택할 수 있는 설계 원리가 처음으로 확인됐다.

 

연구팀은 이 메커니즘을 메탄 제거 실험에 적용했다. 메탄은 이산화탄소보다 온난화 효과가 큰 온실가스로 산소를 이용한 촉매 산화 반응을 통해 제거된다. 실험 결과 작은 세리아 촉매는 낮은 온도와 습기가 많은 환경에서도 메탄을 안정적으로 제거했다. 이는 백금과 팔라듐 등 고가의 귀금속 촉매 사용량을 줄이면서도 성능을 향상시킬 수 있음을 보여준다.

 

이번 성과는 실제 산업 환경에서도 성능이 유지되는 고내구성 촉매 개발로 이어질 수 있으며 환경 정화 장비의 제조 비용 절감과 친환경 에너지 환경 산업의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 연구팀은 첨단 실험 분석과 인공지능 기반 시뮬레이션을 통해 산소 전달 메커니즘을 동시에 입증했다.

 

이현주 KAIST 생명화학공학과 교수는 “이번 연구는 촉매에서 산소가 작동하는 두 가지 핵심 메커니즘을 처음으로 명확히 구분한 성과”라며 “반응 조건에 맞춘 맞춤형 촉매 설계를 통해 기후 위기 대응에 필요한 고효율 촉매 개발의 새로운 길을 열었다”고 말했다.

 

이번 연구에는 KAIST 생명화학공학과 최윤지 박사과정과 서울대 재료공학부 정석현 박사 그리고 KAIST 화학과 한재범 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다. 본 연구는 과학기술정보통신부 리더연구와 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

헬로티 구서경 기자 |