Professor Kim Sangjun’s research team publishes a paper in Nature Communications

김상준 교수 연구팀, ‘Nature Communications’ 논문 게재

CO₂를 산업 원료로 전환하는 고성능 촉매 개발… 탄소자원화 핵심 기술 제시

구리–니켈 이중 원자 촉매(Cu–Ni DAC) 설계로 고온에서도 안정적인 CO₂ 전환 성능 확보

그램(gram) 규모 합성 가능성 입증, CO₂ 기반 합성연료·화학소재 생산 기술 상용화 기대

공과대학 김상준 교수 연구팀이 이산화탄소(CO₂)를 산업 원료인 일산화탄소(CO)로 전환할 수 있는 고성능 촉매 개발 연구에 참여해 국제 학술지 Nature Communications(I.F. : 15.7)에 연구 성과를 발표했다.

이번 연구는 한국화학연구원 김현탁 박사, 경북대학교 김영진 교수, UNIST 이근식 교수와의 공동 연구로 수행됐으며, CO₂를 화학 산업의 핵심 원료인 합성가스(Syngas)로 전환하는 탄소자원화(Carbon Capture and Utilization, CCU) 기술의 핵심 촉매를 개발했다는 점에서 의미가 있다.

연구팀은 질소가 도핑된 탄소 구조에 구리(Cu)와 니켈(Ni) 두 금속 원자를 원자쌍 형태로 고정한 이중 원자 촉매(Dual Atom Catalyst, Cu–Ni DAC) 구조를 설계했다. 이 촉매는 CO₂를 선택적으로 활성화해 일산화탄소(CO)로 전환하는 역 수성가스 전환 반응(RWGS)에서 높은 활성을 보이며, 메탄(CH₄) 생성과 같은 부반응을 효과적으로 억제하는 특징을 갖는다.

특히 CO₂ 전환 반응은 일반적으로 500~600℃ 이상의 고온 조건에서 진행되기 때문에 기존 금속 나노입자 촉매는 장시간 운전 시 금속 입자가 뭉치는 소결(sintering) 현상으로 성능이 저하되는 문제가 있었다. 연구팀이 개발한 이중 원자 촉매는 금속 원자가 탄소 구조에 강하게 고정돼 있어 고온 반응 조건에서도 구조 안정성을 유지하며, 장시간 운전에서도 높은 선택성과 안정성을 보였다.

실험 결과 개발된 촉매는 300~600℃ 범위에서 CO 선택도 약 100%를 유지했으며, 600℃ 조건에서 64%의 CO₂ 전환율을 기록해 열역학적 한계(66%)에 근접하는 성능을 나타냈다. 또한 가혹한 온도 변화 조건에서도 100시간 이상 안정적인 촉매 성능을 유지하는 것으로 확인됐다.

이번 연구는 또한 기존 원자 촉매가 mg 단위 소량 합성에 머물렀던 한계를 넘어 용액 기반 합성 공정을 통해 약 13~15 g 규모의 촉매 합성을 구현함으로써 향후 공정 적용 가능성을 제시했다는 점에서도 의미가 크다.

김상준 교수는 “이번 연구는 원자 수준에서 설계된 이중 원자 촉매가 고온 열화학 반응에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있음을 입증한 성과”라며 “CO₂를 화학 산업의 원료로 활용하는 탄소자원화 기술의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편 이번 연구에는 한국화학연구원 김경민 학생연구원과 UNIST 문진홍 학생연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 김현탁 박사(한국화학연구원), 김영진 교수(경북대학교), 이근식 교수(UNIST), 김상준 교수(충남대학교)가 교신저자로 참여했다.

□ 논문 제목 : Rational synthesis of dual-atom catalysts for optimized thermochemical CO2 reduction

□ DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-025-66608-9