GIST, 이산화탄소로 고부가 화합물 ‘알릴 알코올’ 생산 기술 개발

패러데이 효율 66.9% 달성…기존 기술 대비 4배 향상

플라스틱·접착제 원료 대량 생산 가능…산업 적용 기대

구리인 CuP2 전극촉매를 통한 이산화탄소로부터의 다탄소화합물(C3+) 생산 가능한 e-CCUs 기술. ⓒ광주과학기술원

광주과학기술원(GIST)은 이재영 환경·에너지공학과 교수 연구팀이 이산화탄소(CO2)를 사용하여 고부가가치 화합물 ‘알릴 알코올’을 ‘부분 고전류밀도’로 생산할 수 있는 전기화학 전환기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

알릴 알코올(Allyl Alcohol, C3H6O)은 이중 결합을 가진 알릴기(-CH₂CH=CH₂)와 수산기(-OH)를 함께 포함한 구조다. 다양한 화학 반응에 활용될 수 있는 매우 유용한 물질이다. 특히 플라스틱, 접착제, 살균제, 향료 등 여러 산업 분야에서 고분자 화합물을 합성하는 데 필수적인 원료로 사용되며, 그 산업적 가치가 매우 높다.

이산화탄소의 전기화학적 환원 기술은 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 유용한 물질로 전환할 수 있는 탄소중립 시대의 핵심 기술이지만, 알릴알코올과 같은 탄소 원자 수가 3개 이상인 고부가가치 화합물을 선택적으로 생산하는 것은 패러데이 효율이 15% 미만으로 매우 낮으며, 반응 경로가 복잡하고 중간체의 안정성도 떨어져 기술적인 제약이 컸다.

이번 연구에서 개발된 기술은 66.9%의 패러데이 효율을 달성했다. 이는 기존 최고 기술보다 효율이 약 4배 높은 수준이다. 이처럼 높은 효율은 불필요한 부산물 생성은 최소화하고, 원하는 물질만을 선택적으로 생산할 수 있는 촉매의 탁월한 선택성을 입증한다.

전극의 단위면적당 1100 mA cm⁻²를 인가할 수 있는 공정에서 735.4 mA cm⁻²의 부분 전류 밀도와 1643 μmol cm⁻² h⁻¹의 생산 속도를 기록했다.

고부가가치 화학 물질인 알릴 알코올을 안정적으로 대량 생산할 수 있게 되면서, 실제 산업 현장에서 활용될 가능성이 매우 커질 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

또 이번 연구에서는 기존에 널리 알려진 ‘일산화탄소를 거치는 반응 경로’가 아닌, 포르메이트(HCOOad)*라는 중간물질이 포름알데히드(HCOad)로 전환되는 과정에서 탄소-탄소(C–C) 결합이 형성되는 새로운 반응 경로를 밝혀냈다.

이재영 교수는 “이번에 개발한 이산화탄소 전환공정기술은 이산화탄소 배출에 따른 부담감이 가중되고 있는 석탄·석유화학 산업과 제철 산업에게 위기를 극복할 수 있는 새로운 비지니스 방향성을 제시할 수 있는 돌파구로서 평가 받을 수 있다”고 강조했다.

이어 “스케일-업, 즉 규모의 과학기술 접근법을 통해 탄소중립 시대로 나아가는 중요한 발판이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.