▲ 이산화탄소를 포름산으로 바꾸는 시스템 비교(상단)과 개발된 촉매의 구조(하단) / 산소 발생 반응(OER)을 짝반응으로 사용하는 기존 이산화탄소 전환 시스템(왼쪽)과 포름알데히드 산화 반응(FOR)을 적용한 새 시스템(오른쪽) 기존 시스템은 산소를 생성하느라 많은 전력이 소모되지만, 새 시스템은 포름알데히드 산화 반응을 짝반응으로 사용해 구동 전압을 크게 낮추고, 포름산을 추가적으로 생산한다. 아래는 구리–은(Cu–Ag) 복합 촉매의 제조과정과 작동 원리를 보여준다. 구리 지지체 표면에 전기화학적 방법으로 구리와 은을 동시에 입혀, 두 금속이 고르게 섞인 복합 촉매층을 형성했다. 형성된 촉매 표면에서 포름알데히드가 흡착·산화되어 포름산으로 바뀌게 된다. (그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

 

<기사요약>

UNIST, 초저전압 CO₂→포름산 전환 시스템 개발

전력소모 1/4로 감소, 생산량 3배 증가

OER→FOR 짝반응 교체로 효율 혁신

Cu–Ag 복합 촉매로 반응 안정성 확보

무전력 자가구동 화학 시스템으로 확장 가능

‘앙게반테 케미’ 표지논문 선정, 국제적 인정 획득

 

지구온난화의 주범이던 이산화탄소(CO₂)가 이제 ‘돈이 되는 자원’으로 바뀌고 있다.

UNIST 연구진이 전력 소모를 기존의 1/4로 줄이면서도 생산 효율은 3배 높인 초저전압 전기화학 시스템을 개발해, CO₂를 고부가가치 화학물질 포름산(formic acid)으로 전환하는 데 성공했다.

 

이 연구는 온실가스 감축과 화학 자원 생산을 동시에 달성하는 기술로, 환경과 에너지 산업의 새로운 전환점을 열었다는 평가를 받고 있다.

 

“CO₂를 포름산으로”... 초저전압 전환 시스템의 탄생

 

UNIST 신소재공학과 조승호 교수, 에너지화학공학과 권영국·이재성 교수 연구팀은 이산화탄소를 포름산으로 바꾸는 초저전압 전기화학 반응 시스템을 개발했다고 밝혔다.

 

이 기술은 기존의 ‘산소 발생 반응(OER)’을 ‘포름알데히드 산화 반응(FOR)’으로 대체한 것이 핵심이다. 전통적인 CO₂ 전환 시스템에서는 산소를 발생시키는 짝반응에 전체 전력의 70~90%가 낭비되고, 시스템 구동 전압이 최대 2V 이상까지 올라가는 비효율적 구조를 가지고 있었다.

 

UNIST 연구팀은 이를 근본적으로 바꾸었다.

새로운 짝반응을 적용한 결과, 단 0.5V의 낮은 전압에서도 음극 효율 96.1%, 양극 효율 82.1%의 고효율 포름산 생산이 가능해졌다. 즉, 에너지 소비는 줄이고, 생산량은 세 배 가까이 늘린 셈이다.

 

“전력 소모 ¼, 생산량 3배”... CO₂ 자원화의 경제학

 

이번 시스템은 포름알데히드 산화를 짝반응으로 활용해 양쪽 전극 모두에서 포름산이 생성되도록 설계됐다. 그 결과, 포름산의 총생산 속도는 0.39 mmol/cm²·h, 이는 기존 대비 약 3배 높은 생산성이다.

 

에너지 효율뿐 아니라 경제적 가치 측면에서도 획기적이다.

포름산은 수소 저장체, 연료전지용 액체 연료, 화학소재 전구체로 쓰이며, 세계 시장 규모가 빠르게 확대되는 ‘그린 케미컬(친환경 화학)’의 핵심 물질이다.

 

“새로운 촉매가 해답”... 구리·은 복합 촉매로 반응 안정화

 

연구팀은 이번 성과의 열쇠가 된 ‘구리–은 복합 촉매(Cu–Ag Catalyst)’를 새롭게 합성했다.

기존 촉매는 반응 도중 활성이 급격히 떨어지는 단점이 있었지만, 새 촉매는 안정성과 반응 효율을 모두 잡았다. 덕분에 낮은 전압에서도 지속적이고 효율적인 포름산 생성이 가능해졌다.

 

“CO₂ 전환을 넘어 자가구동 화학공정으로”

 

연구팀은 이 포름알데히드 짝반응 기술을 CO₂ 전환 외에도 전기 없이 작동하는 친환경 자가구동 시스템으로 확장했다. 실제로 동일 원리를 적용해 암모니아 합성, 과산화수소(H₂O₂) 생산, 수소(H₂) 발생 등의 반응을 전기 공급 없이 성공적으로 구현했다.

 

이는 미래의 무전력·무배출형 화학 제조 공정으로 응용될 수 있는 가능성을 보여준다.

 

“탄소를 없애는 게 아니라, 순환시키는 기술”

 

조승호 교수는 “이번 기술은 이산화탄소 전환 공정의 가장 큰 비효율인 ‘짝반응 문제’를 해결한 혁신”이라며 “한정된 전기에너지를 최대한 활용할 수 있는 새로운 친환경 화학 공정의 모범 모델이 될 것”이라고 강조했다. 그는 또 “이산화탄소 전환뿐 아니라 자원 순환형 산업 전반에 탄소-에너지 통합 활용 모델을 제시할 수 있다”고 덧붙였다.

 

이번 연구에는 신소재공학과 김효석 연구원, 장원식 박사, 이진호 박사, 에너지화학공학과 이호정 연구원이 제1저자로 참여했다.

 

연구 성과는 종합화학 분야 최고 권위 학술지  'Angewandte Chemie International Edition'(앙게반테 케미) 10월 1일자 온라인판에 게재되었으며, 표지 논문(Front Cover Paper)으로 선정되는 쾌거를 거뒀다.

 

이제 이산화탄소는 버려야 할 공해가 아니라, 순환시켜 쓸 수 있는 자원이 되었다.

UNIST의 기술은 단순한 탄소저감이 아니라 “탄소의 경제적 재활용”, 즉 ‘Carbon-to-Cash’ 혁명을 여는 출발점이다. 

 

논문명은 Energy-Efficient Dual Formate Electrosynthesis via Coupled Formaldehyde Oxidation and CO2 Reduction at Ultra-Low Cell Voltage이다.

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