[이데일리 강민구 기자] 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 이산화탄소를 플라스틱 원료로 전환하기 위해 전극 효율과 안정성을 개선할 가능성을 제시했다.

KAIST는 송현준 화학과 교수 연구팀이 ‘은 나노선 네트워크’를 활용한 새로운 전극 구조를 개발하고, 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환하는 효율을 높였다고 6일 밝혔다.

전기를 이용해 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환하는 전해 공정에서는 전극 내부가 전해액으로 가득 차면서 이산화탄소가 반응할 공간이 줄어드는 ‘침수 현상’이 오래 해결되지 않은 문제였다. 이를 막기 위해 물을 밀어내는 소재를 사용하면 전기가 잘 통하지 않아 별도의 장치가 필요하는 등 공정이 복잡해지는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 물은 막고 전기는 잘 흐르게 하는 ‘3층 구조’ 전극을 고안했다. 이 전극은 물을 튕겨내는 기판 위에 촉매층을 형성하고, 그 위를 은 나노선 네트워크로 덮은 구조이다. 전해액의 침수를 효과적으로 차단하면서도 전기 전달을 유지하도록 설계됐다.

이번 연구의 핵심은 전극 표면에 사용된 ‘은 나노선’이 단순히 전기를 전달하는 역할을 넘어 직접 화학 반응에도 참여한다는 점을 밝혀낸 것이다. 은 나노선은 이산화탄소를 반응시키는 과정에서 일산화탄소를 생성하고, 이 물질이 인접한 구리 촉매로 전달되며 다음 단계 반응이 이어진다. 이러한 방식으로 두 촉매가 협력해 반응을 진행하는 ‘협동 촉매(탠덤 촉매)’ 시스템이 형성됐다. 그 결과 에틸렌과 같은 다중 탄소 화합물 생성이 촉진됐다.

이러한 구조를 적용한 전극은 알칼리성 전해질에서 79%, 중성 전해질에서는 86%의 선택성을 기록했다. 생성물 중 대부분이 원하는 물질로 전환됐다는 의미다.

송현준 교수는 “은 나노선이 전기를 전달하는 동시에 화학 반응에도 직접 참여한다는 점을 밝혀냈다”며 “앞으로 이산화탄소를 에탄올이나 연료 등 다양한 물질로 바꾸는 데에도 활용할 수 있는 새로운 설계 방법을 제시했다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 3월 24일 게재됐다.