연구
< (왼쪽부터) 우리 대학 화학과 박정영 교수, GIST 문봉진 교수, 브룩헤이븐 국립연구소 김정진 박사 >
기후변화를 포함한 환경 및 에너지 문제에 직접 맞닿아 있는 온실가스 전환 기술은 주로 G7 국가를 비롯한 OECD 회원국들을 중심으로 최근 많은 논의가 이뤄지고 있으며, 대한민국 역시 2050년까지 탄소중립 글로벌 스탠다드 달성을 위해 산・학・연 및 민・관 협력 연구를 활발히 촉진하고 있다. 대기 중의 온실가스를 제거함과 동시에, 미래 청정 연료로 주목받는 메탄올 합성에 필요한 이산화탄소 분해 반응은 탄소중립 달성을 위한 산업계 패러다임 전환 대응에 필요한 핵심 기술이지만, 이산화탄소 분자가 화학적으로 매우 안정된 탓에 공업적으로 유용한 화학 물질로의 전환은 여전히 난제로 여겨진다.
우리 대학 화학과 박정영 교수 연구팀이 광주과학기술원 (GIST) 물리·광과학과 문봉진 교수 연구팀과 공동연구를 통해 초미세 계단형 구리(Cu) 촉매 표면이 이산화탄소(CO2) 분자를 보다 효과적으로 분해할 수 있음을 입증했다고 26일 밝혔다.
포집된 온실가스의 전환은 일반적으로 고온・고압의 촉매 화학반응 환경에서 이뤄지고 있다. 보통 구리 기반 촉매물질을 이용하여 이산화탄소 분자가 일산화탄소(CO) 및 산소 원자(O)로 분해할 때 수십 기압에 이르는 고압 반응환경이 요구된다. 따라서, 기존의 촉매 물질을 개선하고 최적의 이산화탄소 전환 반응을 유도함으로써 온실가스의 전환 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 촉매의 개발이 필요한 실정이다.
< 그림 1. 실시간 직접 관찰된 초미세 계단형 구리 촉매의 표면 구조. 상압 전자터널링 현미경을 이용해 실시간으로 직접 관찰한 초미세 계단형 구리 표면의 모습. 약 1.8 나노미터(nm・10억분의 1미터) 간격을 갖는 미세 계단형 구리면은 상압 환경에서 이산화탄소 분자들에 노출된 이후, 각 계단면이 불규칙하게 분해되는 경향을 보인다. 이는 이산화탄소 분자들이 초미세 계단 구조를 통해 일산화탄소 분자 및 산소 원자로 분해되면서 구리 촉매의 표면이 재구조화되는데 기인한다. >
상압 전자터널링 현미경(AP-STM) 기술을 활용해 직접 관찰된 연구팀의 이번 연구 결과는, 머리카락 두께의 10만 분의 1 크기의 계단형 표면 구조가 온실가스의 분해 반응 향상에 크게 기여한다는 시각적 증거를 처음으로 제시했다. 연구진은 그 크기가 수 옹스트롬(Å·100억 분의 1 미터)에 불과한 이산화탄소 분자는 촉매 물질의 표면 구조에 따라서 반응 활성도가 달라질 수 있다는 점에 착안, 머리카락 두께의 10만 분의 1에 불과한 계단형 초미세 구리 표면과 반응하는 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 포착했다.
초미세 계단형 구조를 갖는 구리 원자의 표면 배열은 평평한 구조를 갖는 넓은 구리 표면 구조에 비해 훨씬 낮은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 온실가스의 분해가 상대적으로 용이하다. 연구진은 관찰 결과, 구리 촉매 표면의 계단 위치와 충돌한 이산화탄소 분자가 상온에서도 쉽게 분해됐고, 더 나아가 분해된 일산화탄소 분자와 산소 원자가 표면의 구조변화를 동시에 유도함으로써 촉매반응 경로에 영향을 끼칠 수 있음을 발견했다.
< 그림 2. 방사광가속기 시설을 활용한 표면 구조 재구조화 현상의 규명. 이산화탄소 분자의 분해 결과 생성된 일산화탄소 분자는 초미세 계단형 구리 표면 구조와 강하게 반응하고, 직접 관찰된 바와 같이 표면 구조의 재구조화 현상을 유도한다. 방사광가속기 기반의 상압 환경 X-선 광전자분광(AP-XPS) 기법을 통해 분석된 화학 결합 에너지 변화 결과는 일산화탄소 가스 반응환경에서 주입된 가스의 압력과 노출 시간에 따라 달라짐을 알 수 있다. >
박정영 교수는 “이번 연구는 기존에 진행된 구리 표면에서의 이산화탄소 촉매 현상의 이해를 뛰어넘는 새로운 발견이며, 이를 통해 고효율 이산화탄소 촉매의 개발을 통해 인류의 가장 시급한 문제 중의 하나인 지구온난화 및 지속가능성 문제 해결에 기여할 것이다”라고 밝혔다.
한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업, 과학기술분야 기초연구사업과 한-프랑스 협력기반조성사업(STAR) 등의 지원을 받은 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications IF 17.694) 온라인판에 6월 6일 자 게재됐다. (논문제목: Revealing CO2 dissociation pathways at vicinal copper (997) interfaces)
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행사 KAIST-한전KDN, AI 기반 캠퍼스 에너지 플랫폼 구축 MOU 체결…글로벌 진출 추진
우리 대학은 한전KDN(대표이사 박상형)과 인공지능(AI)과 에너지 분야를 융합한 ‘AI+X’ 전략 기반 캠퍼스 마이크로그리드(Micro Grid, 소규모 독립형 전력망) 구축을 위한 업무협약(MOU)을 8일 체결했다고 밝혔다. 한전KDN(KEPCO Knowledge, Data & Network Co., Ltd.)은 전력 시스템에 정보통신기술(ICT)을 접목한 에너지 플랫폼을 개발·운영하는 한국전력공사 계열 공기업이다. 이번 협약은 AI 기반 전력 운영 기술을 활용해 캠퍼스 단위의 탄소중립(Net-Zero) 플랫폼을 구축하고, 이를 실증하기 위한 에너지 테스트베드를 조성하기 위해 추진됐다. 이를 통해 차세대 에너지 기술 고도화와 글로벌 비즈니스 모델 창출을 도모할 계획이다. 양 기관은 KAIST 캠퍼스를 중심으로 실제 전력 생산·소비 데이터를 활용한 AI 기반 에너지 관리 시스템(Energy Management System
2026-04-08 -
연구 ‘이산화탄소로 플라스틱 원료 만든다'...전환효율 86% 전극 기술 개발
이산화탄소를 플라스틱을 만드는 원료인 에틸렌과 같은 화학물질로 바꾸는 과정에서, 전기가 흐르며 화학 반응이 일어나는 핵심 부위인 ‘전극’ 내부에 물이 스며들어 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 우리 대학 연구팀은 물은 차단하면서도 전기의 흐름과 촉매 반응을 원활하게 이루어지도록 설계한 새로운 전극 구조를 개발해 효율과 안정성을 동시에 개선했다. 우리 대학은 화학과 송현준 교수 연구팀이 머리카락보다 훨씬 가는 은 실들이 거미줄처럼 얽힌 구조인 ‘은 나노선 네트워크’를 활용한 새로운 전극 구조를 개발해, 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환하는 효율을 세계 최고 수준으로 끌어올렸다고 6일 밝혔다. 전기를 이용해 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환하는 전해 공정에서는 전극 내부가 전해액으로 가득 차면서 이산화탄소가 반응할 공간이 줄어드는 ‘침수(Flooding) 현상’이 오랫동안 해결되지 않은 문제였다. 이를 막기 위해
2026-04-06 -
연구 스스로 회복하는‘자가 재생’ 촉매 개발...이산화탄소 전환 기술 돌파구
공장과 발전소에서 배출되는 이산화탄소(CO₂)를 유용한 화학 원료로 바꾸는 기술은 탄소 중립의 핵심으로 꼽힌다. 하지만 촉매 성능이 빠르게 떨어지는 문제가 상용화를 가로막아 왔다. 우리 대학 연구진이 작동하는 동안 스스로 성능을 회복하는 ‘자가재생’ 촉매를 개발해 해결의 실마리를 제시했다. 우리 대학 생명화학공학과 정동영 교수 연구팀은 이산화탄소(CO₂)를 유용한 물질로 전환하는 전기화학 반응에서 촉매 성능이 저하되는 근본 원인을 규명하고, 촉매가 반응 중 스스로 활성 상태를 유지하도록 하는 새로운 설계 전략을 개발했다고 11일 밝혔다. 특히 연구팀은 이산화탄소 전환 반응에서 널리 사용되는 구리(Cu) 촉매에 주목했다. 구리 촉매는 반응 과정에서 단순히 소모되는 것이 아니라, 표면 구조가 지속적으로 변화하는 ‘재구성(reconstruction)’ 과정을 거치는 것으로 알려져 있다. 연구 결과, 이러한 재구성 방식에 따라 촉매의 성능과
2026-03-11 -
연구 “지구 안전선 이미 넘었다”...탄소 배출 한계 두 배 초과
지구는 무한하지 않다. 일정 수준을 넘는 오염은 기후와 생태계를 위협한다. 과학자들은 이를 막기 위해 ‘플래니터리 바운더리(Planetary Boundaries)’라는 지구 안전선을 제시해 왔다. 우리 대학 연구진이 기후변화와 질소 오염을 같은 기준으로 다시 계산한 결과, 현재 탄소 배출은 지구가 감당할 수 있는 한계를 두 배 이상 넘은 상태로 나타났다. 우리 대학은 녹색성장지속가능대학원 전해원 교수가 미국 에너지부 산하 태평양북서부국립연구소(PNNL)의 폴 울프람(Paul Wolfram) 박사팀과 공동 연구를 통해, 이산화탄소 배출 한계를 기존의 ‘탄소 총량(저량, stock)’ 기준에서 질소·인 오염과 같은 ‘연간 배출량(유량, flow)’ 기준으로 재산정했다고 6일 밝혔다. 그동안 기후변화는 대기 중에 얼마나 CO₂가 쌓였는지(저량)를 기준으로 평가해 왔다. 반면 질소·인 오염은 1
2026-03-06 -
연구 온실가스 없애는 촉매의 ‘산소 사용법’규명
유례없는 폭염과 한파가 반복되며 기후 위기가 일상이 된 가운데, 온실가스를 효과적으로 제거하는 기술이 전 세계적 과제로 떠오르고 있다. 특히 유해 가스를 산소로 분해하는 촉매 기술은 친환경 정화의 핵심이다. 한국 연구진은 그동안 막연히 ‘산소를 잘 쓴다’고 여겨졌던 촉매가 반응 환경에 맞춰 산소를 선택적으로 활용할 수 있다는 원리를 밝혀내며, 촉매 설계의 새로운 기준을 제시했다. 우리 대학 생명화학공학과 이현주 교수, 서울대학교 한정우 교수, KAIST 박정영 교수 공동연구팀은 친환경 촉매로 널리 쓰이는 세리아(CeO₂)*가 크기에 따라 산소를 사용하는 방식이 완전히 달라진다는 사실을 세계 최초로 규명했다고 4일 밝혔다. *세리아(Ceria,CeO2: 세륨(Cerium)이라는 금속과 산소가 결합한 화합물 세리아는 값비싼 귀금속 촉매를 대체·보완하는 금속 산화물 촉매로, 산소를 저장했다가 필요할 때 꺼내 쓸 수 있어 촉매 분야에서 &lsqu
2026-02-04