[한정우 교수팀, CO2 전환 촉매 스크리닝 시스템 개발, 컴퓨터 시뮬레이션으로 촉매 평가·선별…합리적 설계 가능]

배출한 이산화탄소(CO2)를 흡수해 실질적인 배출량을 0으로 만드는 ‘탄소중립’은 한국뿐만 아니라 전 세계의 목표다. 이 때문에 환경오염 없이 이산화탄소를 없애고, 심지어는 유용한 자원으로 변환하는 전기화학적 이산화탄소 전환 기술이 주목받고 있다. 그러나 아직까지 전기화학적 이산화탄소 전환 촉매를 개발하기 위해서는 많은 비용과 시간이 소모된다는 한계가 있었다.

최근 화학공학과 한정우 교수, 박병준 씨, 잉 왕(Ying Wang) 박사, 이예찬 씨 연구팀은 제일원리 계산을 통해 전기화학적 이산화탄소 환원 반응을 위한 촉매 스크리닝 시스템을 개발했다. 제일원리 계산이란 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 금속-질소-탄소계(M-N-C) 촉매를 평가하고 선별하는 체계화된 시스템을, 스크리닝이란 수많은 샘플을 분석해 최적의 샘플을 찾아내는 방법을 말한다.

한정우 교수팀은 촉매 스크리닝 시스템 개발에 밀도범함수 이론을 적용해 촉매의 선택성, 활성, 구조적 안정성을 계산했다. 그 결과를 바탕으로 23개의 금속-질소-탄소계 촉매 중 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등 금속 3개를 실제 촉매로 합성했다. 금속-질소-탄소계(M-N-C) 촉매는 금이나 은 같은 비싼 금속을 대체해 생산 효율성을 높인다는 장점이 있다.

연구 결과, 한정우 교수팀은 촉매 스크리닝 시스템을 도입해 전기화학적 이산화탄소 환원 개발을 위한 비용과 시간을 획기적으로 단축할 수 있었다. 이 시스템을 사용하면 전기화학적 전위에 따른 활성(activity)과 선택성(selectivity)의 변화를 성공적으로 예측할 수도 있다.

한정우 교수는 “제일원리 계산으로 구축한 촉매 스크리닝 시스템을 이용하면 비용과 시간이 소모되는 실험 과정을 줄여 합리적으로 촉매를 설계할 수 있다”며 “이산화탄소 전환용 촉매뿐만 아니라 다양한 에너지 분야의 촉매 연구에 응용 가능해, 에너지 문제 해결에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 최근 세계적인 나노 분야 학술지 ‘스몰(Small)’에 표지논문으로 게재됐으며, 한국연구재단 미래소재디스커버리사업과 수소에너지혁신기술개발사업, 포스코 그린사이언스사업의 지원을 받아 이뤄졌다.