□ 지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 문봉진 교수(물리‧광과학과, SRC 극미세 초고속 X-선과학 연구센터, C-AXS)는 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡)의 박정영 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀 및 충남대학교 김현유 교수(신소재공학과) 연구팀과 함께 이산화탄소 분자가 로듐(Rh) 촉매 표면에서 분해되는 순간을 직접 관찰하는데 성공했다.

∘ 이번 연구결과는 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 제거해 유용 물질로 전환할 수 있는 화학반응의 직접 증거를 제시하였다.

□ 기후변화로 인한 피해가 해마다 증가함에 따라 지구온난화를 가속시키는 온실가스인 이산화탄소를 유용한 물질로 전환할 수 있는 기술이 최근 활발히 연구되고 있다. 포집된 이산화탄소를 메탄 혹은 메탄올과 같은 청정 연료로 전환한다면, 환경 및 석유 에너지 의존 문제를 해결할 수 있기 때문이다.

∘ 문제는 이산화탄소(CO2)는 화학적으로 매우 안정하기 때문에 전환을 위해 높은 에너지가 소모된다는 점이다. 이산화탄소를 일산화탄소(CO)와 산소(O)로 분해시키는 초기 과정에는 수십 기압에 이르는 고압 반응이 요구된다. 이 때문에 최적의 반응경로를 설계하고, 전환 효율을 향상시키려면 이산화탄소의 분해 메커니즘을 면밀히 파악하는 것이 중요하다. 하지만 지금까지 분광학적 분석 등 제한적인 증거만 제시됐을 뿐, 이산화탄소 분해 과정의 화학적 메커니즘을 원자 수준에서 정확히 제시한 연구는 없었다.

□ 연구진은 실제 반응 환경에서 이산화탄소 분해과정을 실시간 관찰하기 위해 연구를 시작했다. 크기가 수 옹스트롬(Å·100억분의 1미터)에 불과한 이산화탄소 분자는 화학 반응기* 내부 압력이 충분히 증가할 경우, 촉매 표면에서 스스로 구조변화를 일으킬 수 있다는 이론적 예측에서 아이디어를 얻었다.

* 화학 반응기: 최적의 화학반응을 진행시키기 위해서 반응물 공급과 온도와 압력이 조절되는 부분

□ 김현유 충남대 교수는 “우리가 살아가는 상압 환경은 크기가 작은 이산화탄소 분자 입장에서는 상당한 에너지를 공급받는 고압 환경”이라며 “주변 압력으로 인해 단위 면적 당 분자 간 충돌횟수가 비약적으로 높아지며 분자가 불안정해지고, 최종적으로 분해에 이르는 것을 확인할 수 있었다”고 설명했다.