문준혁 교수 연구팀, 고엔트로피 산화물로 상온 메탄 전환 가속... 온실가스 저감형 연속 반응 기술 제시 Co 단일원자 특성 강화된 고엔트로피 촉매 높은 선택성·지속가능성 달성, Advanced Materials 커버 논문 선정
온실가스 메탄(CH4)을 고부가가치 화합물로 전환하는 기술은 에너지 전환과 탄소중립 실현을 위한 차세대 전략으로 주목받고 있다. 고려대학교 문준혁 교수 연구팀(주저자: 민희원, 김철호)은 상온 조건에서 메탄을 에탄올로 선택적으로 전환할 수 있는 고성능 전기화학 촉매 시스템을 개발하였다. 본 연구에는 National Taiwan University의 Bor-Yih Yu 교수 연구팀이 공동으로 참여하였다. 연구팀은 Co, Cr, Fe, Mn, Ni 등 다성분 전이금속으로 구성된 고엔트로피 산화물(High Entropy Oxide, HEO)에 코발트를 선택적으로 풍부화(Co-rich)하여, Co 중심의 pseudo-single-atom 활성점이 형성되는 전자구조 안정화 촉매를 구현하였다. Co 원자는 고엔트로피 격자 내에서 전자적으로 고립된 상태로 존재하며, 주변 이종 금속과의 상호작용을 통해 p-band center가 메탄 활성화에 최적인 범위로 조절되어, 기존 단일 금속 산화물 대비 정밀한 제어와 높은 활성도를 동시에 확보할 수 있는 구조적·전자적 이점을 갖는다. 특히 본 촉매를 유동식 전기화학 셀(flow cell)에 적용한 결과, 약 26mmol/gcat/h 수준의 에탄올 생산속도를 연속 반응 조건에서 달성하였으며, 100시간 이상의 장기 안정성 실험에서도 결정 구조 및 금속 산화 상태의 유지가 확인되어 높은 내구성을 입증하였다. 아울러 연구팀은 공정 시물레이션을 통해 본 기술의 실현 가능성을 정량적으로 평가하였다. 기술경제성 분석(TEA) 결과, 전해조 단가와 전력 비용이 약 25% 저감될 경우 시장 단가 수준의 생산비용 도달 가능성이 확인되었고, 생애주기환경평가(LCA)에서는 기존 바이오 및 석유 기반 에탄올 생산 공정 대비 최대 90%의 탄소배출 저감 효과가 나타났다.
▲연구팀이 개발한 고엔트로피 산화물 촉매를 이용한 메탄 산화 반응 개념도
문준혁 교수는 “고엔트로피 소재 내 단일원자 활성점 개념을 실험적으로 구현한 점에서 의미가 크다”며, “이러한 접근은 전기화학 기반의 메탄 전환뿐만 아니라 다양한 연료 전환 및 산화 반응에도 확대 적용될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구 결과는 재료 및 에너지 분야 세계적 권위의 학술지 Advanced Materials (IF:27.4)에 2025년 4월 23일에 게재 예정이며, 저널 Inside Cover 논문으로도 선정되었다. * 논문명: Co-Enriched High Entropy Oxides for Efficient Continuous Electrochemical Methane Conversion: Catalytic Performance and Sustainability Insights 본 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단이 지원하는 중견연구사업과 C1 가스리파이너리 밸류업 기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. ** 문준혁 교수 홈페이지: http://moonlab.korea.ac.kr
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