버려지는 이산화탄소를 연료와 원료로 만드는 최첨단 기술-기계공학부 김재훈 교수

이산화탄소(CO2)는 지구 온난화를 일으키는 대표적인 온실가스이다. 전 세계가 탄소중립을 향해 나아가는 가운데, 단순히 배출을 줄이는 것을 넘어 CO2를 다시 쓸모 있는 연료나 원료로 바꾸는 기술이 주목받고 있다. 이를 CO2 직접 전환(direct CO₂ conversion)이라 부른다. 이번에 소개할 세 편의 논문은 서로 다른 촉매(화학반응을 돕는 물질)를 개발해 CO2를 항공유 등 액상 연료나 화학원료로 만드는 방법을 제시했다. 공통점은 모두 CO2와 수소(H2)를 반응시켜 고부가가치 제품을 만드는 ‘수소화 반응을 이용했다는 점이다. 1. 철–지르코니아 촉매로 ‘긴 사슬’ 액체연료 만들기 첫 번째 연구는 철(Fe)과 지르코니아(ZrO2)를 결합한 촉매로 CO2를 장쇄 탄화수소(C5 이상)로 전환하는 기술이다. 장쇄 탄화수소는 휘발유나 경유 같은 액체연료의 핵심 성분이다. 이 촉매는 반응 조건에서 750시간(한 달 이상) 동안 성능을 유지하며, 세계 최고 수준인 C5+ 수율 26%를 달성했다. 지르코니아는 단순한 지지체 역할을 넘어서, 철 입자의 뭉침을 막고 반응성을 높이며, 전자 구조까지 조절하는 다기능 촉진제로 작용했다. 논문명: High-yield pentanes-plus production via hydrogenation of carbon dioxide: Revealing new roles of zirconia as promoter of iron catalyst with long-term stability 저널명: Journal of Energy Chemistry DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.11.010 2. 코발트–지르코니아 촉매로 메탄 대신 ‘고급 탄화수소’ 생산 두 번째 연구는 코발트(Co)와 지르코니아를 활용해 CO2 수소화 반응에서 흔히 나타나는 ‘메탄 폭주’를 억제하고, 대신 휘발유·등유·경유에 쓰이는 C5+ 이상 탄화수소를 선택적으로 생산하는 방법을 개발했다. 이 촉매는 코발트와 지르코니아 계면에서 CO2를 효과적으로 활성화해 메탄 대신 더 긴 탄화수소 사슬을 만드는 반응 경로를 강화했다. 장기간 반응에서도 안정적으로 작동해, 산업적 적용 가능성이 높다. 논문명: Elucidating the role of ZrO2 in a cobalt catalyst in the direct hydrogenation of CO2 to C5+ hydrocarbons 저널명: Journal of Energy Chemistry DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.05.004 3. 나트륨–구리–철 촉매로 ‘고급 알코올’ 제조 세 번째 연구는 나트륨(Na), 구리(Cu), Fe를 조합해 CO2를 C2 이상 알코올(에탄올, 프로판올 등)로 바꾸는 기술을 선보였다. 알코올은 연료 첨가제나 화학제품 원료로 활용 가치가 크다. 나트륨이 촉매 표면의 염기성을 높여 CO2 흡착과 C–C 결합 형성을 촉진했고, 촉매의 산소공석 구조가 수소 활성화에 도움을 주었다. 덕분에 높은 선택성과 안정성을 동시에 확보했다. 논문명: Tandem reductive hydroformylation: A mechanism for selective synthesis of straight-chain α-alcohols by CO2 hydrogenation 저널명: Applied Catalysis B: Environmental and Energy DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124978 본 연구는 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 배출된 CO2를 그대로 쓰레기로 버리지 않고, 연료·원료로 재활용 가능성을 증명했으며, 기존 정유산업과 호환 가능한 액체연료·화학원료 생산이 가능할 것이다. 또한, 장기 안정성, 높은 수율, 선택성 등에서 세계 최고 수준의 성과를 이뤘다. 이번 연구들은 CO2를 ‘골칫거리’에서 ‘자원’으로 바꾸는 미래 기술의 방향을 보여준다. 철, 코발트, 구리 등 비교적 널리 쓰이는 금속을 기반으로 하면서도, 미세한 구조 제어와 전자구조 조절을 통해 반응 효율과 안정성을 극대화했다. 이 성과들은 단순히 실험실 연구에 그치지 않고, 앞으로 정유·석유화학·연료 생산 산업의 판도를 바꿀 수 있는 잠재력을 가진다.

도시가스를 연료로 직접 활용하는 세계 최고 성능의 세라믹 연료전지 개발-기계공학부 이원영 교수

기계공학부 이원영 교수는 연세대학교 홍종섭 교수, 서울과학기술대학교 최민기 교수와 공동연구로 도시가스(메탄)를 별도의 개질기없이 직접 연료로 활용해서 세계 최고 수준의 성능과 내구성을 보이는 양성자 전도성 세라믹 연료전지를 개발한 연구결과를 세계적으로 권위 있는 학술지인 Nature Communcations에 게재했다. 도시가스의 주성분인 메탄을 포함한 다양한 탄화수소를 연료전지의 연료로 직접 활용하게 되면 별도의 개질기가 필요하지 않아 시스템 구성이 간소화되고 아직은 값비싼 그린수소를 사용할 필요도 없으며 기존의 도시가스 공급망을 그대로 활용할 수 있는 등 다양한 장점이 있어 활발한 연구가 진행되고 있다. 하지만, 고체산화물 연료전지의 연료로 메탄을 직접 주입하게 되면 메탄이 고온에서 분해되는 과정에서 연료극 촉매인 니켈의 표면에 탄소가 침착되는 현상이 발생하여 수소 생산성 감소와 함께 전력생산능력이 급격하게 저하되는 열화현상은 상용화의 가장 큰 문제점으로 제기되어 왔다. 공동연구팀은 메탄을 연료로 직접 활용하는 세라믹 연료전지의 성능과 안정성을 향상시키기 위한 전략으로 탄소침착 저항성이 높은 촉매가 탑재된 양성자 전도성 세라믹 연료전지를 개발하였다. 양성자 전도성 세라믹 연료전지는 최근 활발하게 상용화가 진행되고 있는 고체산화물 연료전지의 한 종류로 산소이온이 아닌 수소이온(양성자)이 전하운반자로 활용되기 때문에 중저온에서도 고성능, 고효율 전력생산이 가능한 차세대 에너지 시스템으로 크게 주목을 받고 있다. 또한, 연료전지 제작과정 중에 이종합금촉매를 자가조립할 수 있는 방법을 개발하여 메탄 분해반응성뿐만 아니라 자가탄소세정 특성을 통한 탄소침착 저항성을 크게 향상시켰다. 이렇게 제작된 연료전지는 기존에 보고된 성능을 크게 상회하는 세계 최고 성능을 확보하였으며, 특히 500시간동안의 장기운전에서도 기존의 연료전지에 비하여 20배 이상 향상된 안정성을 보이는데 성공하였다. 연구팀은 “이중합금촉매 자가조립이라는 간단하면서도 확실한 방법을 효율적인 중저온 구동이 가능한 양성자 전도성 세라믹 연료전지에 효과적으로 적용하여, 메탄을 연료로 직접 활용할 수 있는 고체산화물 연료전지 개발에 있어 가장 큰 난관이었던 낮은 반응성과 안정성 문제를 획기적으로 개선시킬 수 있었다”고 연구 의미를 설명했다. 또한, “메탄을 포함한 다양한 탄화수소를 고체산화물 연료전지의 연료로 직접 활용할 수 있는 가능성을 제시함으로써 탄소중립을 실현하는데 필수적인 구성요소인 연료전지의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이 연구성과는 산업통상자원부 (P0021202), 한국 연구재단 (2023M3J1A1091543, 2022R1A2C3012372, 2022R1A4A1031182, 2021K1A3A1A20002574, 2021R1C1C2006657) 그리고 한국전력 (R23XO03) 의 지원을 받아 수행되었으며, 국제학술지 Nature Communications에 11월 18일자 온라인 게재되었다.