침수 문제·전도성 한계 동시에 해결…전극 설계 패러다임 전환은 나노선으로 전기 전달과 촉매 기능 구현…에틸렌 생산 효율 세계 최고 수준



은 나노선 적층 구조를 활용한 이산화탄소 전해 전극의 구동 개념도(AI 이미지)


지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 '자원'으로 바꾸려는 기술 경쟁이 치열합니다. 특히 전기를 이용해 이산화탄소를 연료나 화학 원료로 전환하는 전기화학 공정은 탄소중립 시대의 핵심 기술로 주목받고 있습니다.
이 기술은 태양광이나 풍력처 릴게임사이트추천 럼 간헐적으로 생산되는 재생에너지를 화학 에너지 형태로 저장할 수 있다는 점에서 의미가 큽니다. 즉, 남는 전기를 활용해 이산화탄소를 에틸렌 같은 고부가가치 물질로 전환하면, 온실가스 감축과 에너지 저장, 산업 원료 생산을 동시에 해결할 수 있습니다.
하지만 전극 성능이 상용화를 가로막는 가장 큰 장벽이었습니다.
전기화 게임몰릴게임 학 반응이 일어나는 전극 내부로 전해액이 스며들면서 반응 공간이 줄어드는 침수현상이 발생하고, 이를 막기 위해 소수성 소재를 사용하면 전기가 잘 흐르지 않는 문제가 동시에 나타났습니다. 결국 지금까지 '물은 막고 전기는 통하게 해야 하는' 상충 조건을 해결하지 못해 기술 발전이 제한돼 왔습니다.
◆ 침수 문제 해법…3층 전극 구조 설계
골드몽게임 KAIST 화학과 송현준 교수 연구팀은 이러한 근본적 한계를 해결하기 위해 물과 전기, 촉매 반응을 동시에 제어할 수 있는 새로운 전극 구조를 제시했습니다.



다공성 고분자산화구리 촉매은 나노선 네트워크 전극 구조 모식도

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연구팀은 물을 튕겨내는 기판 위에 촉매층을 형성하고, 그 위를 머리카락보다 훨씬 가는 은실들이 거미줄처럼 얽힌 구조인 '은 나노선 네트워크'로 덮는 3층 구조를 설계했습니다. 이 구조는 전해액의 침투를 효과적으로 차단하면서도 전기 흐름을 유지하도록 설계된 것이 특징입니다.
특히 기존에는 물을 막기 위해 전도성을 희생하 야마토게임연타 거나, 전도성을 확보하기 위해 침수 문제를 감수해야 했던 구조적 한계를 동시에 해결했다는 점에서 의미가 큽니다.
◆ 기술 핵심…은 나노선 '이중 기능' 구현
이번 연구의 핵심은 전극 표면에 적용된 은 나노선이 단순한 전도체를 넘어 반응 촉매로도 작용한다는 점을 밝혀낸 것입니다.
은 나노선은 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 1차 반응을 수행하고, 생성된 일산화탄소는 인접한 구리 촉매로 전달돼 추가 반응을 거칩니다. 이 과정에서 두 촉매가 연속적으로 작동하는 '협동 촉매'(탠덤 촉매) 시스템이 형성됩니다.
이러한 협동 반응 구조는 에틸렌과 같은 다중 탄소 화합물 생성 효율을 촉진하는 역할을 합니다.
◆ 성능 검증…효율·안정성 동시 확보
연구팀이 개발한 전극은 알칼리 전해질에서 79%, 중성 전해질에서는 86%의 높은 선택성을 기록했습니다. 이는 생성물 대부분이 목표 물질로 전환됐다는 의미로, 세계 최고 수준입니다.
또한 50시간 이상의 장시간 작동에서도 성능 저하 없이 안정적인 반응을 유지해 기존 기술의 내구성 한계를 극복했습니다.
◆ 기술 의미…전극 설계 패러다임 전환
이번 연구는 단순한 성능 개선을 넘어 전극 설계 개념 자체를 바꾼 사례로 평가됩니다. 전극이 단순히 전기를 전달하는 구조에서 벗어나 반응을 유도하는 '능동적 기능'을 동시에 수행할 수 있음을 입증했기 때문입니다.
송현준 교수는 "이번 설계 방식이 향후 이산화탄소를 에틸렌뿐 아니라 에탄올, 합성연료 등 다양한 화학물질 생산으로 확장될 수 있을 것"으로 보고 있습니다.
KAIST 화학과 박종혁 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지, 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 3월 24일 자로 실렸습니다.



왼쪽부터 KAIST 박종혁 박사, 한윤경 석박사 통합과정생, 송현준 교수, 김성주 박사


◆ 결론…탄소를 자원으로 바꾸는 기술 진전
이산화탄소 전환 기술은 기후위기 대응과 산업 구조 전환을 동시에 이끌 수 있는 핵심 기술입니다.
이번 성과는 그동안 상용화를 가로막아 온 전극의 구조적 한계를 극복했다는 점에서 전기화학 기반 탄소 활용 기술의 실용화를 한 단계 앞당긴 것으로 평가됩니다.
(사진=KAIST)
김건교 취재 기자