IBS, 촉매 표면서 이산화탄소 분해 순간 관찰
40년 만에 실험으로 규명..청정연료 연구에 활용
지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 제거해 유용한 물질로 전환할 수 있는 길이 열렸다.
기초과학연구원(IBS)은 나노물질 및 화학반응연구단 박정영 부연구단장과 문봉진 광주과학기술원(GIST) 교수, 김현유 충남대 교수 등 공동 연구팀이 이산화탄소 분자가 촉매 표면에서 분해되는 순간을 실시간 관찰하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.
최근 온실가스인 이산화탄소를 유용 물질로 전환하는 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 포집된 이산화탄소를 메탄이나 메탄올과 같은 청정 연료로 전환하면, 석유 의존도를 줄이면서 환경 문제를 해결할 수 있기 때문이다.
하지만 이산화탄소는 화학적으로 매우 안정적이어서 일산화탄소와 산소로 분해하는 초기 과정에 수십 기압에 이르는 고압 반응이 필요하다. 너무 높은 압력에서는 서서히 변해 가는 원자나 분자들의 모습을 관찰하기 어렵고, 이와 반대로 너무 낮은 압력에선 반응 자체가 진행되지 않는다.
그동안 이산화탄소 분해 과정은 분광학적 분석 등을 통해 제한적으로 제시됐을 뿐, 화학적 메커니즘을 원자 수준에서 정확히 밝혀내지 못하고 있다.
연구팀은 머리카락 굵기 10만분의 1 해상도를 지닌 '상압 주사터널링현미경'을 활용해 로듐 촉매 표면에 맞닿은 이산화탄소 분자의 변화를 관찰했다. 그 결과, 가로와 세로 폭이 각각 2∼5㎚(나노미터) 크기의 로듐 촉매 표면에서 이산화탄소 분자들이 서로 충돌하다 일산화탄소로 분해되는 모습을 관찰했다.
연구팀은 이어 '거대 빛 현미경'으로 불리는 방사광 가속기를 활용해 로듐 촉매 표면의 미세한 화학 결합 에너지 변화를 측정한 결과, 상압 환경에서 일산화탄소 농도가 서서히 증가하는 것을 확인했다. 또 구조 변화를 일으킨 이산화탄소의 전자구름 밀도 차이가 로듐 촉매 표면에서 극대화되는 것을 관찰했는 데, 이는 로듐 촉매의 표면에서 이산화탄소의 분해가 시작된다는 증거임을 보여준 것이라고 연구팀은 설명했다.
박정영 IBS 부연구단장은 "이산화탄소가 촉매 표면에서 스스로 분해된다는 이론은 40여 년 전 제시됐지만, 실험 증거가 뒷받침되지 않아 난제로 남아 있었다"며 "이산화탄소의 청정 연료 전환 연구에 기여할 것"이라고 말했다.
이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(6일자)' 온라인판에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr
IBS 나노물질 및 화학반응연구단은 이산화탄소 분자가 촉매 표면에서 실시간으로 분해되는 순간을 관찰하는 데 성공했다.
