▲ 다공성 고분자/산화구리 촉매/은 나노선 네트워크 전극 구조 모식도> 소수성 고분자 기판 위에 산화구리 촉매와 은 나노선 네트워크를 순차적으로 쌓아, 기체 투과성은 유지하면서도 높은 전기 전도성을 확보한 촉매 전극 구조(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

이산화탄소를 줄이는 것을 넘어, 플라스틱 원료로 바꾸는 ‘탄소 전환 기술’이 한 단계 도약했다. 전극 내부에 물이 차오르며 성능이 떨어지는 고질적 문제를 해결한 새로운 구조가 개발되면서, 탄소를 자원으로 활용하는 ‘탄소 순환 경제’ 실현 가능성이 커지고 있다.

KAIST 화학과 송현준 교수 연구팀은 이산화탄소를 에틸렌 등 고부가가치 화학물질로 전환하는 고효율 전극 기술을 개발했다고 밝혔다.

이산화탄소 전환 전해 공정은 전기를 이용해 CO₂를 유용한 화학물질로 바꾸는 기술로, 탄소중립 시대의 핵심 기술로 주목받고 있다. 그러나 반응이 일어나는 전극 내부에 전해액이 스며드는 ‘침수(Flooding)’ 현상이 발생하면, 이산화탄소가 반응할 공간이 줄어들어 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 물은 차단하면서 전기 흐름과 촉매 반응은 유지하는 ‘3층 구조 전극’을 설계했다. 물을 튕겨내는 기판 위에 촉매층을 형성하고, 그 위를 ‘은 나노선 네트워크’로 덮어 전해액 침수를 억제하면서도 전기 전달을 원활하게 유지하는 방식이다.

핵심은 이 은 나노선이 단순한 전도체가 아니라 ‘촉매’ 역할까지 수행한다는 점이다. 은 나노선은 CO₂를 일산화탄소(CO)로 전환하고, 이 CO가 인접한 구리 촉매로 전달되며 추가 반응을 일으키는 ‘협동 촉매(탠덤 촉매)’ 시스템을 형성한다. 이를 통해 에틸렌과 같은 다중 탄소 화합물 생성이 크게 촉진된다.

성능은 세계 최고 수준이다. 해당 전극은 알칼리 조건에서 79%, 중성 조건에서는 86%의 선택도를 기록했으며, 이는 생성물 대부분이 원하는 화학물질로 전환됐음을 의미한다. 또한 50시간 이상 장시간 구동에서도 성능 저하 없이 안정적인 반응을 유지해, 기존 기술의 한계를 극복했다.

송현준 교수는 “은 나노선이 전기 전달과 촉매 반응을 동시에 수행한다는 점을 규명한 것이 핵심 성과”라며 “이 기술은 향후 에탄올, 합성연료 등 다양한 화학물질 생산으로 확장될 수 있는 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

KAIST 화학과 박종혁 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 Advanced Science에 3월 24일 게재되며 기술적 완성도를 인정받았다.

이산화탄소를 ‘배출물’이 아닌 ‘자원’으로 전환하는 기술 경쟁이 본격화되는 가운데, 이번 성과는 탄소중립을 넘어 ‘탄소 활용 시대’로의 전환을 앞당기는 중요한 이정표로 평가된다.

논문명은 Overlaid Conductive Silver Nanowire Networks on Gas Diffusion Electrodes for High-Performance Electrochemical CO2-to-C2+ Conversion이다.