한국에너지공과대학교(KENTECH·켄텍) 연구진이 이산화탄소(CO₂)를 유용한 화학물질로 바꾸는 과정에서 걸림돌로 꼽혀온 수소 발생 반응을 억제하고, 원하는 탄소 기반 생성물의 선택성을 높일 수 있는 새로운 전극 설계 원리를 제시했다.
전극 표면에서 전자의 '스핀(spin)'을 제어해 반응 경로를 조절하는 방식으로 탄소중립 핵심 기술인 이산화탄소 전기환원의 효율을 끌어올릴 가능성을 열었다는 평가다.
13일 켄텍에 따르면 에너지공학부 탄제완 교수가 참여한 국제공동연구팀은 '카이랄(chiral) 구조'를 활용한 구리 전극을 통해 CO₂ 전기환원 반응의 선택성을 높이는 기술을 구현했다.
CO₂ 전기환원은 재생에너지 전기로 이산화탄소를 화학 원료나 연료로 바꾸는 탄소중립 핵심 기술이다.
하지만 반응 과정에서 수소 발생이 함께 일어나 효율과 선택성이 떨어지는 한계가 있었다.
연구진은 이를 해결하기 위해 '카이랄성'과 '전자 스핀'에 주목했다.
카이랄 구조를 가진 구리 전극 표면에서 특정 스핀을 선택적으로 전달하도록 설계해 CO₂ 환원 반응은 촉진하고, 경쟁 반응인 수소 발생은 억제하는 방식이다.
실험 결과 카이랄 구리 전극에서는 스핀 분극 현상을 확인했고 일반 전극보다 수소 발생은 줄이면서 CO₂ 환원 생성물의 선택성은 높아진 것으로 나타났다.
제1저자인 탄제완 교수는 "카이랄 전극 기반 스핀 제어가 전기화학 반응 선택성을 조절하는 새로운 설계 전략이 될 수 있다"며 "향후 CO₂ 전환뿐 아니라 수소 생산·질소 환원 등 다양한 에너지 전환 기술에도 활용 가능성이 크다"고 말했다.
이어 "촉매 조성이나 표면 구조를 넘어 전자의 스핀 상태까지 함께 설계하는 접근이 가능해진다면 CO₂ 전환뿐 아니라 수소 생산, 질소 환원 등 다양한 에너지 전환 분야에서도 새로운 가능성을 열 수 있을 것"이라고 밝혔다.
이번 연구는 탄 교수가 미국 국립연구소 재직 시절 수행한 연구를 바탕으로 이뤄진 국제공동연구 성과다.
연구 성과는 국제 학술지 네이처 에너지( Nature Energy)에 'Chirality-induced spin selectivity as a mechanism to control product selectivity during electrochemical CO2 reduction' 제목으로 게재했다.

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