학계 정설 뒤집고 이산화탄소가 ‘수소 저장체’ 포름산으로 전환되는 메커니즘 규명

△ 본 연구에서 제안한 이산화탄소-포름산 전환 메커니즘을 나타낸 모식도

차세대 친환경 에너지인 수소의 저장체로 주목받고 있는 ‘포름산’ 생성에 대한 중요한 비밀이 풀렸다. 고려대학교(총장 김동원) KU-KIST융합대학원 백서인 교수 연구팀이 전기화학적 이산화탄소 환원 반응 환경에서 포름산 전환 반응의 원자 수준 메커니즘을 규명했다.

전기화학적 이산화탄소 환원 반응(CO2RR)은 대기 중 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환해 탄소 중립을 실현하는 차세대 핵심 에너지 기술이다. 특히 포름산(HCOOH)은 에너지 밀도가 높고 수소 저장체로 쓸 수 있어 유망한 생성물로 꼽힌다. 하지만 포름산 생성에 가장 효율적인 촉매로 주목받는 ‘비스무트(Bi) 기반 촉매’를 사용하였을 때, 원자 수준에서 어떤 반응 메커니즘이 일어나는지는 그동안 명확히 규명되지 않았다.

연구팀은 이를 규명하고자 물 분자, 반응 중간체, 전해질 양이온 등 계면 인자를 통합적으로 고려한 분자동역학 시뮬레이션을 수행했다. 정교하게 설계한 촉매의 전극-전해질 계면 모델을 바탕으로 다양한 반응 경로를 정량적으로 분석한 결과, 기존의 지배적인 통념을 뒤집는 새로운 메커니즘을 밝혀냈다.

*계면 인자: 촉매 표면과 용액이 맞닿은 경계면에서 일어나는 화학 반응에 영향을 주는 요소

*분자동역학 시뮬레이션: ‘분자 수준의 실시간 동적 움직임’을 예측하는 첨단 컴퓨터 시뮬레이션 기법

기존에는 이산화탄소가 ‘산소 결합형 중간체(*OCHO)’ 단계를 거쳐 포름산으로 전환된다는 게 학계의 정설이었다. 하지만 연구팀의 시뮬레이션 결과, 주변 분자들의 간섭으로 인해 산소 결합형 중간체가 형성되지 못하도록 억제되어 있음을 확인했다. 대신 일산화탄소(CO) 생성의 주요 경로로 알려져 있던 ‘탄소 결합형 중간체(*COOH)’가 실제로는 포름산 전환을 주도하는 핵심 경로로 작용했다. 

이번 연구는 정적인 열역학 계산의 한계를 극복하고, 실제 전극 계면 환경과 전압 효과를 반영한 분자동역학 시뮬레이션을 도입해 모델링의 현실성을 높였다. 특히, 시뮬레이션으로 예측한 탄소 결합형 중간체(*COOH)의 존재를 실제 실험적 분광 분석을 통해 성공적으로 검출하여 이론의 신뢰성을 극대화했다. 

*분광 분석: 물질에 레이저 등 특정 빛을 조사해 눈에 보이지 않는 미세한 원자와 분자의 종류, 상태를 알아내는 분석 기법

연구팀은 “이번 연구는 실제 반응 환경을 정밀하게 모사한 동역학 시뮬레이션과 실험적 검증을 결합하여, 복잡한 촉매의 반응 메커니즘을 원자 수준에서 밝혀냈다는 데 큰 의의가 있다”며 “구축된 연구 플랫폼은 향후 다양한 촉매 반응을 원자 수준에서 이해하고 예측하는 연구에 폭넓게 적용될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 독일화학회에서 발행하는 세계적인 화학 저널인 ‘Angewandte Chemie International Edition(IF=17.0)’ 온라인에 5월 29일 게재됐다.

*논문명: Bifurcation of *COOH Pathway Determines HCOOH Formation in CO2 Electroreduction on Bismuth

*DOI: 10.1002/anie.2216222

*URL: http://doi.org/10.1002/anie.2216222

본 연구는 한국연구재단의 나노소재기술개발사업 신진연구, 글로벌 기초연구실지원사업, 국가연구소사업 (RS-2024-00448287, RS-2025-00513832, RS-2025-02214715, RS-2025-16063688), 고려대학교의 연구과제 지원 및 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨팅 자원 지원으로 수행됐다.

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 KU-KIST융합대학원 정현동 석박통합과정(제1저자), 고려대 KU-KIST융합대학원 백서인 교수(교신저자), 푸단대학교 Kun Jiang 교수(교신저자)