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이산화탄소를 유용한 화합물로 바꾸는 기술은 탄소 중립 시대의 도래로 점차 그 수요가 커지고 있다. 특히 이산화탄소를 고부가가치 물질로 환원시키는 과정에선 구리 촉매가 핵심 역할을 한다.
다른 금속을 섞은 구리 합금 촉매는 생성물의 선택성을 높이는 데 효과적이다. 그러나 반응 중 촉매 표면 구조가 달라지는 재건 현상이 발생하면 설계와 실제 구조 간 차이로 성능 예측이 요원해진다. 합금 촉매의 경우에는 변화가 더 복잡하게 일어나 원인 규명이 힘들었다.
연구팀은 이러한 현상의 원인 규명을 위해 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.
남대현 교수는 “이번 연구는 예측이 어려웠던 재건 현상을 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 설명했다.
