문준혁 교수, 네이쳐 카탈리시스(Nature Catalysis) 논문 게재 탄소중립 시대, 메탄을 자원으로… 고효율 이산화이리듐(IrO2) 메탄올 전환 촉매 개발 성공
문준혁 교수 연구팀이 이산화이리듐(IrO₂) 촉매를 이용해 상온에서 메탄을 메탄올로 선택적으로 전환하는 전기화학 반응 메커니즘을 규명하고, 이를 구현할 수 있는 고성능 반응 시스템을 개발했다. IrO₂ 촉매는 높은 안정성과 전기화학적 산화 반응 활성을 갖는 특성을 지닌다. 메탄은 천연가스의 주요 성분으로 지구상에 풍부하게 존재하지만, 이산화탄소보다 약 25배 높은 온실효과를 유발하는 기체로, 기후변화에 미치는 영향이 크다. 따라서 메탄을 화학적으로 유용한 물질로 전환하는 기술은 온실가스 저감과 자원화라는 측면에서 매우 큰 파급력을 지닌다. 특히 메탄을 메탄올로 전환하면 저장성과 수송 효율이 높아지고, 직접 연료로도 활용 가능해 산업적 가치가 크다. 그러나 메탄의 화학적 안정성으로 인해 이를 선택적으로 전환하는 것은 오랫동안 해결되지 않은 난제로 여겨져 왔다. 
▲ 전기화학적 상온 메탄-메탄올 전환 개념도
연구팀은 전기화학 반응 중 탄산 이온이 IrO₂ 촉매의 특정 결정면에서 반응성이 높은 산소종(고활성 산소종)을 형성하고, 이 산소종이 메탄을 선택적으로 산화해 메탄올로 전환하는 반응 경로를 규명했다. 이를 위해 연구팀은 메탄을 기체 상태로 연속 공급할 수 있는 공정형 전기화학 반응 장치를 자체적으로 설계·제작했다. 이 장치는 메탄과 전해질이 촉매–전해질 계면에 효과적으로 전달될 수 있도록 구성되어 반응물의 전달 저항을 최소화하는 데 성공했다. 최적화된 조건 하에서 연구팀은 기존 대비 10배 빠른 속도로, 시간당 약 10mmol의 메탄올을 생산했으며, 100시간 이상의 연속 운전에서도 성능 저하 없이 안정적인 작동을 확인했다. 이러한 반응 메커니즘과 시스템의 유효성은 동위원소 표지 실험과 라만 분광법을 통해 실험적으로 입증되었다. 문준혁 교수는 “이번 연구는 온실가스인 메탄을 상온에서 메탄올로 전환할 수 있는 기술적 기반을 마련한 성과로, 향후 전기를 이용한 반응 시스템을 통해 수소 생산 기술과 연계될 수 있으며, 탄소중립형 연료 및 화학소재 생산 공정으로의 확장 가능성이 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진한 ‘C1 가스 리파이너리 밸류업 기술개발사업’지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 촉매 및 탄소자원화 분야 국제학술지 ‘Nature Catalysis (IF: 44.6)’에 2025년 7월 4일 게재되었다. *논문명: High-selectivity room-temperature partial oxidation of methane to methanol enabled by electrochemical oxygen promotion on IrO2 catalysts*URL: https://www.nature.com/articles/s41929-025-01363-0 **문준혁 교수 홈페이지: http://moonlab.korea.ac.kr/
| 