고려대, 구리 합금 촉매 ‘재건현상’ 원리 세계 최초로 밝혀내

[인더스트리뉴스 서영길 기자] 고려대학교(총장 김동원)는 이 학교 연구팀 등이 이산화탄소를 에탄올과 같은 고부가가치 물질로 환원시키는 전기화학 반응 과정에서 구리 합금 촉매의 표면 변화 메커니즘을 세계 최초로 규명했다고 5일 밝혔다.

이번 연구에는 고려대 신소재공학부 남대현 교수, KU-KIST 융합대학원 백서인 교수 연구팀과 서울대 재료공학부 주영창 교수, 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀이 함께 했다.

해당 연구 성과는 촉매 분야 최고 권위의 국제 학술지 ‘Nature Catalysis(IF=44.6)’ 온라인에 지난 7월 14일 게재됐으며, 표지 논문으로 선정됐다.

논문명은 ‘Unveiling the reconstruction of copper bimetallic catalysts during CO2 electroreduction’이고, DOI는 10.1038/s41929-025-01368-9이다.

연구팀에 따르면 이산화탄소를 전기를 이용해 유용한 화합물로 바꾸는 기술은 탄소중립 시대의 핵심으로, 구리 촉매가 중심 역할을 한다.

특히 다른 금속을 섞은 구리 합금 촉매는 생성물의 선택성을 높이는 데 효과적이다. 하지만 반응 중 촉매 표면 구조가 달라지는 ‘재건현상’이 발생하면 설계와 실제 구조 간 차이로 성능 예측이 어려워진다. 또 합금 촉매의 경우 변화가 더 복잡하게 일어나 그 원인 규명이 쉽지 않았다.

이같은 현상의 원인을 밝히기 위해 연구팀은 다양한 구리 합금 촉매를 설계하고, 고전류 조건에서 표면 구조의 변화를 정밀 분석했다.

그 결과 구리–은 촉매에서는 표면에 구리 나노입자가 새롭게 형성된 반면 구리–아연 촉매는 처음 설계된 구조를 유지하는 차이를 보였다.

두 금속 모두 일산화탄소 생성 능력은 비슷했지만 표면 구조 변화 방식에 따라 최종 생성물은 달랐다. 구리–은 촉매에서는 에탄올이 주로 생성됐고, 구리–아연 촉매에서는 일산화탄소가 더 많이 만들어졌다.

이어 연구팀은 투과전자현미경으로 구리 나노입자의 성장 과정을 실시간 관찰했다.

결과적으로 특정 반응 물질이 촉매 표면에 달라붙으며 금속이 녹아 나왔다가 다시 붙는 ‘용출-재전착’ 과정이 표면 변화의 원인임을 밝혀냈다.

또 금속 원자의 배열 방식이 합금의 혼화성에 따라 달라짐을 확인했으며, 짧은 시간에 전압을 빠르게 변화시키는 펄스 전위법으로 표면 변화를 제어해 촉매 구조와 생성물 종류까지 조절할 수 있음을 입증했다.

고려대 남대현 교수는 “이번 연구는 예측이 어려웠던 재건현상을 체계적으로 규명한 최초의 사례”라며 “합성 조건에만 의존하던 기존의 촉매 설계에서 나아가 실제 반응 환경에서의 변화까지 고려한 새로운 방향을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 강조했다.