지구온난화 주범 메탄의 ‘변신’…수소와 에탄올 동시 생산하는 설계 전략 제시 

△ 수전해 양극 반응을 메탄 자원화 반응으로 확장하는 전기화학 시스템

수소를 생산하면서 메탄까지 자원화하는 방법이 나왔다. 고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 문준혁 교수 연구팀이 물을 전기로 분해해 청정 수소를 생산하는 ‘수전해’ 과정에서 메탄을 고부가가치 화합물인 에탄올로 전환하는 기술을 개발했다.

수전해는 전기를 이용한 친환경 에너지 시대의 핵심 기술로, 일반적으로 음극에서 수소가, 양극에서 산소가 생성된다. 최근 이 양극 반응을 활용해 수소와 다양한 유용 물질을 동시에 생산하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

연구팀은 그중에서도 양극에서 일어나는 산소 발생 반응(OER)을 메탄 산화 반응(CH4OR)으로 대체하는 방법을 모색했다. 즉, 메탄을 활용해 양극에서 산소 대신 에탄올을 생산하는 새로운 기술을 구현한 것이다. 메탄은 천연가스의 주성분으로 자연에 풍부하게 존재하지만, 분자구조가 매우 안정적이어서 원하는 방향으로 전환하기 어렵다. 따라서 메탄이 화학 반응을 일으킬 수 있도록 효과적인 활성화 촉매를 찾는 것이 핵심이다.

촉매를 하나하나 탐색하는 기존 방식에서 벗어나, 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 두 가지 엄격한 기준을 동시에 만족하는 촉매를 골라내는 ‘이중 기준 선별법(Two-criterion descriptor)’을 활용했다. 

여기서 두 선별 기준은 ▲촉매 표면의 산소가 반응 중 날아가지 않고 단단히 버텨줄 수 있는지(열역학적 안정성) ▲메탄의 단단한 결합(C–H 결합 활성화 장벽)을 얼마나 쉽게 깨뜨릴 수 있는지다. 연구팀은 15종의 루타일형 금속산화물을 비교해 두 조건을 만족하는 최적의 촉매로 ‘루테늄 산화물(RuO₂)’을 도출했다. 

*루타일형 금속산화물: 광물의 일종인 루타일과 똑같은 형태의 원자 배열 구조를 가진 금속산화물을 통칭함

실제 반응이 일어나는 동안 메탄이 어떻게 에탄올로 변해가는지 그 과정도 증명했다. 촉매 표면의 산소를 매개로 메탄이 화학 반응을 일으키기 쉬운 활성 상태로 전환되고(C–H 활성화), 탄소 원자들이 서로 끌어당겨 단단한 결합(C-C)을 형성하는, 바로 이 메커니즘을 밝혀낸 것이다.

이번 성과는 메탄 자원화 촉매 설계의 새로운 방향을 제시하는 동시에, 전기화학 기반 에너지 전환 연구의 확장 가능성을 보여준다. 제1저자인 최지윤 연구원은 “전기화학적 메탄 산화 촉매 설계를 위한 두 가지 핵심 기준을 제시하고, 그동안 명확히 확인하기 어려웠던 C–H 활성화와 C–C 결합 형성 과정을 실시간으로 추적했다는 데 의미가 있다”고 밝혔다. 

한국연구재단의 지원으로 수행된 본 연구 성과는 화학공학 분야 국제 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)(IF=13.2, JCR 상위 4.54%)’ 온라인에 7월 4일 게재됐다.

*논문명: Two-criterion descriptor screening identifies rutile oxide catalysts for selective electrochemical methane oxidation to ethanol

*DOI: 10.1016/j.cej.2026.179059

*URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894726065204

한편, 문준혁 교수 연구팀은 전기화학 촉매, 에너지 전환 반응, 오페란도 분석을 기반으로 수소 생산과 탄소 자원화가 결합된 차세대 에너지 기술을 연구하고 있다.

*오페란도(Operando) 분석: 촉매나 배터리 등의 소재가 실제 작동하는 반응 환경을 그대로 모사하여, 물질의 미세한 구조 변화와 화학 반응 과정을 실시간으로 분석하는 최첨단 기술 

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과 문준혁 교수(교신저자), 최지윤 박사과정(제1저자)