[톡톡뉴스] 전남대학교 나경수 교수 연구팀이 지구온난화를 일으키는 온실가스를 감축할 수 있는 화학 공정 기술을 개발해 화제다.

전남대 나경수 교수(화학과) 연구팀은 온실가스의 주성분인 ‘이산화탄소’와 온실가스 형성에 기여하는 ‘메탄가스’를 친환경적이고 경제적으로 전환하기 위한 방법을 연구했다. 바로, 이산화탄소와 메탄을 직접 결합시켜 아세트산으로 합성하는 기술이다.

이 공정은 고가의 수소를 활용하지 않으며, 외부 산화제 없이 단일공정을 통해 메탄을 고부가 화합물로 전환한다는 점에서, 온실가스 감축 효과와 더불어 우수한 경제성도 갖추고 있다. 다만, 자연상태에서는 자발적으로 결합하지 않는 이산화탄소와 메탄을 어떤 식으로 직접 결합할 것인가가 관건이었다.

연구팀은 이러한 한계를 넘어, 값싼 금속산화물 표면에서 이산화탄소와 메탄을 순차적으로 활성화하는 방식으로 아세트산을 단일 생성물로 얻어내는데 성공했다. 특히, 이산화탄소와 메탄의 활성화 조건이 같았을 때, 아세트산의 생산성이 극대화됨을 확인했다. 이어, 이산화탄소와 메탄의 순차적 주입 과정을 반복해 아세트산을 지속적으로 얻어낼 수 있음을 밝혔다.

또한, 연구팀은 활성화 과정이 반복되면 금속산화물의 구조가 변형돼 성능이 감소하는 문제를 발견하고, 구조적 안정성을 향상하기 위해 다공성 실리카 껍질을 씌운 코어쉘 형태의 금속산화물을 개발했다. 이를 활용해 최종적으로 성능 저하 없이 지속적으로 이산화탄소와 메탄을 소모하며 아세트산을 제조하는 촉매 및 반응 공정을 제안했다.

이는 온실가스 주범인 이산화탄소와 메탄을 직접 결합해 소모하는 시스템을 설계하고 이를 이론과 실험으로 증명했을 뿐만 아니라, 고부가 유기화합물인 아세트산을 지속적으로 단일 생성물로서 생산할 수 있는 화학 공정을 개발하였다는 점에서 높은 평가를 받고 있다.

이번 연구는 나경수 전남대 화학과 교수가 연구책임자, 권승돈 화학과 석·박사통합과정 생이 제1저자, 화학교육과 고경철 교수가 공동연구자로 참여했다. 화학과 양효근(석·박사통합과정), 유영재(석·박사통합과정), 최유열(석·박사통합과정), 김나경(석사) 학생과 지구환경과학부 김계홍(박사과정) 학생도 연구팀으로 참여했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1가스리파이너리사업의 단독 지원으로 수행됐으며, 화학 및 환경공학 계열의 최상위 저널인 ‘어플라이드 카탈리시스 B:환경분야(Applied Catalysis B: Environmenta, IF: 22.1, JCR 상위 1% 이내)’ 온라인 판에 게재됐다.

나경수 교수는 “이번 연구는 온실가스의 주범인 이산화탄소와 메탄을 고부가 물질로 전환하는 새로운 반응 공정으로서, 기존의 다양한 수소를 활용한 이산화탄소 전환 기술과 다양한 산화제를 활용한 메탄 부분 산화 기술을 포괄적으로 대체할 수 있는 연구 분야에 활용이 가능할 것”이라고 말했다.

*논문원제: A sustainable carbon-consuming cycle based on sequential activation of CO2 and CH4 using metal oxides (Applied Catalysis B: Environmental 339 (2023) 123120)