□ 세계적으로 기후위기가 심화되는 가운데 이산화탄소를 자원으로 활용하는 기술이 주목받고 있다. 고려대학교(총장 김동원) KU-KIST 융합대학원 백서인 교수 연구팀이 전기화학적 이산화탄소 환원 반응 과정에서 발생하는 구리 단원자 촉매의 재구성 원인을 밝혀냈다.

□ 전기화학적 이산화탄소 환원 반응은 대기 중 이산화탄소를 에틸렌, 에탄올 등 고부가가치 화합물로 전환해 탄소중립 실현을 가능케 하는 차세대 핵심 에너지 기술이다. 이때 쓰이는 촉매 중 구리 단원자는 반응 과정에서 구리 나노입자나 클러스터로 재구성되는 독특한 특성을 보인다. 하지만 그동안 그 메커니즘에 대해서는 충분히 밝혀지지 않은 상태였다.

□ 연구팀은 그 원리를 규명하고자 물 분자, 반응 중간체, 배위 환경 등을 통합적으로 고려한 분자동역학 시뮬레이션을 수행했다. 그 결과, 구리 단원자가 두 개의 질소-수소 배위 구조를 유지하면서 동시에 CO* 중간체가 흡착될 때 구리 원자의 용출을 촉진한다는 점을 밝혀냈다.

*분자동역학: 원자와 분자들이 시간에 따라 어떻게 움직이고 상호작용하는지 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 추적하고 분석하는 기법

*배위: 하나의 중심 원자에 주변의 다른 원자나 분자들이 일정한 규칙을 가지고 결합하여 둘러싸고 있는 형태

□ 용출된 구리 이온들은 전해질 내에서 자발적으로 응집해 클러스터를 형성한 뒤, 다시 단원자 자리에 재증착되며 입자로 성장했다. 이 과정을 통해 실제 반응을 주도하는 새로운 촉매 활성점을 형성했다.

*활성점: 촉매 표면에 반응 물질이 달라붙어 화학 반응이 일어나는 핵심 지점

□ 연구팀은 “이번 연구는 실제 반응 환경을 정밀하게 모사한 동역학 시뮬레이션을 통해 복잡한 촉매의 재구성 원인을 원자 수준에서 밝혀냈다는 데 큰 의의가 있다”라며 “구축된 분석 플랫폼은 향후 다양한 촉매의 동적 거동을 원자 수준에서 이해하고 예측하는 연구에 폭넓게 적용될 것”이라고 밝혔다.

□ 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘Chemical Engineering Journal(IF=13.2)’ 온라인에 3월 11일 게재됐다.

*논문명: Probing the atomic-scale dynamics of Cu-N-C catalysts during CO2 electroreduction via constant-potential ab-initio molecular dynamics

*DOI: 10.1016/j.cej.2026.175000

*URL: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175000

□ 본 연구는 산업통상자원부의 탄소중립 산업 핵심기술 개발사업과 한국연구재단의 나노소재기술개발사업, 고려대학교의 연구과제 지원 및 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨팅 자원 지원으로 수행됐다.