서울공대 재료공학부 주영창 교수팀, 구리 합금 촉매 재건현상 원리 세계 최초 규명 
- 촉매 분야 최고 권위 학술지 ‘Nature Catalysis’ 표지 논문 선정 
- 탄소중립에 필요한 이산화탄소 전환 촉매 난제 풀어 



서울대학교 공과대학은 재료공학부 주영창 교수·화학생물공학부 박정원 교수 연구팀이 고려대학교의 신소재공학부 남대현 교수·KU-KIST 융합대학원 백서인 교수 연구팀과 함께, 온실가스인 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하는 구리 합금 촉매에서 전기화학 반응 중 표면 구조가 변화하는 재건현상(reconstruction)의 메커니즘을 세계 최초로 규명했다고 밝혔다.

본 연구는 반응 중 변화하는 합금 촉매 표면의 원자 배열을 이해하고, 반응에 참여하는 실제 촉매 구조를 예측·설계할 수 있도록 했다는데 큰 의의를 지닌다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)'에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.

■ 연구 배경

전기화학적 이산화탄소 환원 반응은 대기 중 이산화탄소를 청정 화학 원료로 전환하는 기술로, 탄소 중립 실현을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다. 이 과정에서 구리를 기반으로 한 촉매는 에틸렌(C2H4), 에탄올(C2H5OH) 등 고부가가치 다탄소 화합물의 생산을 가능케 하기 때문에 대표적인 촉매 소재로 활용되어 왔다.

하지만 단일 구리 촉매는 전기화학 반응 경로를 제어하는 데 이론적 한계가 있어, 생성물 선택성과 반응 효율 향상에 제약이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 구리에 이종 금속을 도입해 다양한 활성점을 제공하는 합금 촉매가 개발되어 왔다. 이러한 합금 촉매의 활성점 구조를 정밀하게 제어하기 위해, 지금까지는 주로 합금 촉매 소재의 표면 조성 및 미세구조를 조절하는 합성 기술 개발에 초점이 맞춰져 있었다.

그러나 이산화탄소 환원 반응 환경에서는 촉매 표면에서 금속의 용출(dissolution)과 전착(electrodeposition)이 반복되며, 표면 구조와 조성이 변화하는 재건현상이 불가피하게 발생한다. 이로 인해, 초기 정교하게 설계된 활성점 구조와 실제 반응에 참여하는 활성점 구조 사이에 간극이 생겨 촉매 성능의 예측과 최적화를 어렵게 만든다. 특히 합금 촉매의 경우, 여러 금속 원소들이 재건현상에 관여하기 때문에, 현재까지 그 복잡한 메커니즘이 충분히 규명되지 않은 상태다. 따라서 고성능 이산화탄소 환원 촉매 개발을 위해서는 다원계 합금에 대한 재건현상의 근본적인 원리를 이해하고, 이를 예측·제어할 수 있는 설계 전략을 마련하는 것이 필수 과제로 부각되고 있다.

■ 연구성과

이에 연구팀은 구리(Cu)와 이종 금속(X) 간의 산소 친화도(oxophilicity)와 혼화성(miscibility)에 기반한 원소 지도를 구축하고, 이를 바탕으로 네 가지 유형의 Cu–X(X: 은(Ag), 철(Fe), 아연(Zn), 팔라듐(Pd)) 이원계 합금 촉매를 설계했다. 그리고 해당 촉매들을 가스확산전극 형태로 제작하여, 산업화 수준의 고전류밀도 CO2 환원 반응 조건에서 재건현상을 유도하고, 단면 투과전자현미경 분석을 통해 표면 구조 변화를 정밀하게 관찰하는 데 성공했다. 이는 기존의 촉매 재건 연구가 저전류밀도 반응 기반 모델 연구에 머물렀다는 한계를 극복한 중요한 성과다.
    
그 결과, Cu–Ag 촉매에서는 반응 중 표면에 구리 나노입자가 형성된 반면, Cu–Zn 촉매는 균일한 원소 분포를 유지함을 확인했다. 두 금속 모두 유사한 일산화탄소(CO) 생성 능력을 가짐에도 불구하고, 재건 양상의 차이에 따라 생성물 선택성이 뚜렷이 갈렸다. Cu–Ag에서는 생성된 구리 나노입자가 CO 중간체의 에탄올 전환을 유도해 Ag 조성이 높아져도 에탄올 선택성이 유지된 반면, Cu–Zn에서는 구리 원자가 풍부한 활성점의 부족으로 CO 중간체가 탈착되어 CO 생산이 우세해지는 경향을 보였다.

또한 실시간 투과전자현미경을 통해 구리 나노입자의 성장 과정을 직접 관찰하고, 이러한 재건현상이 반응 중간체의 흡착에 의해 유도되는 선택적 용출–재전착 메커니즘에 기인함을 규명했다. 아울러, 재전착된 표면 원자의 재배열 거동이 합금 원소 간 혼화성에 따라 달라진다는 사실도 입증하였다. 나아가, ‘펄스 전위법’을 통해 용출–재전착 거동을 조절하여 재건 거동을 제어함으로써, Cu–Zn 촉매의 주요 생성물을 CO에서 에탄올로 바꾸는 성능 개선 효과까지 확인했다.

■ 기대 효과

이번 연구는 구리 이원계 합금 촉매의 재건현상을 이해하기 위한 ‘설계 지도’를 제시함으로써, 반응 환경에서 구조가 동적으로 변화하는 촉매를 예측·설계할 수 있는 이론적 기반을 마련했다. 또한, 이러한 원리는 이원계를 넘어 보다 복잡한 다원계 합금 촉매에도 적용 가능하다는 점에서 일반화된 설계 원리를 제시한 것으로 평가받으며, 이를 통해 반응 효율과 안정성을 모두 갖춘 촉매 개발로 이산화탄소 전환 기술의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

■ 연구진 의견

연구를 이끈 주영창 교수는 “이번 연구는 전기화학적 이산화탄소 환원 반응 중 복잡하게 변화하는 촉매의 거동을 체계적으로 규명한 최초의 사례”라며, “고성능 촉매 설계를 위해 합성 조건의 최적화에만 의존하던 기존 방식을 넘어, 반응 환경에서의 재건현상까지 반영한 새로운 설계 패러다임을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

■ 연구진 진로

이번 논문의 주저자로서 서울대 재료공학부에서 석박통합과정을 밟고 있는 김인태 연구원은 펄스 방식의 이산화탄소 환원 반응에서 나타나는 재건현상을 속도론적으로 규명하고, 이를 통해 동적 촉매의 설계 기틀을 확장하는 연구를 이어갈 예정이다.

▲ 그림 1. a-d, 구리-은(Cu-Ag) 합금 촉매의 CO2 환원 반응(CO2 reduction reaction, CO2RR) 전/후 표면 구조 및 원소 분포. e-h, 구리-아연(Cu-Zn) 합금 촉매의 CO2 환원 반응 전/후 구조 및 원소 분포. (a,b,e,f) 주사전자현미경 이미지, (c,d,g,h) 단면 투과전자현미경 에너지분산형 분광분석법 매핑 이미지. i-j, 합금 조성비에 따른 CO2 환원 반응 생성물의 선택도 결과 (i) 구리-은 촉매 성능, (j) 구리-아연 촉매 성능.

▲ 그림 2. 전기화학적 액상 투과전자현미경 분석을 통해 구리-은(Cu-Ag) 합금 박막에서 발생하는 표면 나노입자(adparticle)의 형성과 성장 과정을 실시간으로 관찰한 결과.

▲ 그림 3. 본 연구에서 규명한 반응 중간체 흡착 특성과 금속 간 혼화성에 의해 결정되는 구리 이원계 합금 촉매의 재건 메커니즘 개념도.

[참고 자료]
- 논문/저널명 : "Unveiling the reconstruction of copper bimetallic catalysts during CO2 electroreduction", Nature Catalysis
- DOI : https://doi.org/10.1038/s41929-025-01368-9

[문의]
서울대학교 재료공학부 미세유연소자재료연구실 김인태 연구원 / 02-880-5817 / capintae@snu.ac.kr