세리아 크기에 따라 산소 사용 방식 달라져…메탄 저감 촉매 설계 기준 제시

KAIST 연구진이 온실가스 제거 촉매로 널리 쓰이는 세리아(CeO₂)가 반응 조건에 따라 산소를 서로 다른 방식으로 활용한다는 원리를 세계 최초로 규명했다. 촉매가 ‘산소를 잘 쓴다’는 기존의 포괄적 이해를 넘어, 크기에 따라 공기 중 산소와 내부 저장 산소를 선택적으로 사용하는 메커니즘을 구분해 설명한 것이 핵심이다. KAIST 생명화학공학과 이현주 교수, 서울대학교 재료공학부 한정우 교수, KAIST 박정영 교수 공동연구팀은 세리아 촉매의 크기를 나노 수준부터 상대적으로 큰 크기까지 정밀 제어한 뒤, 산소의 이동과 반응 경로를 체계적으로 분석했다. 그 결과, 작은 세리아는 공기 중 산소를 빠르게 받아 즉각 반응에 사용하는 반면, 큰 세리아는 내부에 저장된 산소를 표면으로 이동시켜 지속적으로 공급하는 방식으로 작동한다는 점을 확인했다.

세리아는 그동안 귀금속 촉매를 대체·보완하는 금속 산화물 촉매로, 산소를 저장했다가 필요할 때 방출하는 특성 때문에 ‘산소 탱크’로 불려왔다. 그러나 산소가 실제로 어디에서 공급돼 반응에 참여하는지, 조건에 따라 어떤 경로가 우세한지는 명확히 구분되지 않았다. 연구팀은 산소의 역할을 하나의 개념으로 묶기보다, 반응 환경과 촉매 크기에 따라 선택되는 두 가지 메커니즘으로 나눠 설명했다. 이 원리는 첨단 실험 분석과 인공지능 기반 시뮬레이션을 병행해 입증됐다.

연구팀은 해당 원리를 메탄 제거 촉매 반응에 적용했다. 메탄은 이산화탄소보다 온난화 효과가 큰 온실가스로, 촉매 산화 반응을 통해 이산화탄소와 물로 전환된다. 실험 결과, 작은 세리아 촉매는 공기 중 산소를 즉각 활용해 낮은 온도와 습도가 높은 환경에서도 안정적인 메탄 제거 성능을 보였다. 이는 백금·팔라듐 등 고가 귀금속 촉매 사용량을 줄이면서도 성능을 유지하거나 향상시킬 수 있음을 시사한다.

연구팀은 이러한 특성이 실제 산업 환경에서 요구되는 내구성과 비용 절감 측면에서 의미가 있다고 설명했다. 비·습기 등 조건 변화가 잦은 현장에서도 촉매 성능이 유지될 가능성을 확인했다는 점에서, 설계 단계에서부터 반응 환경을 고려한 촉매 선택이 가능해진 셈이다.

이현주 교수는 이번 연구가 촉매에서 산소가 작동하는 두 가지 핵심 메커니즘을 명확히 구분한 첫 사례라고 설명하며, 반응 조건에 맞춘 맞춤형 촉매 설계의 출발점이 될 수 있다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘Nature Communications’에 1월 9일 게재됐다. 연구에는 KAIST와 서울대 연구진이 공동으로 참여했으며, 과학기술정보통신부 리더연구 및 중견연구자지원사업의 지원을 받았다.