[더테크 이지영 기자]  KAIST가 이산화탄소(CO₂)를 플라스틱 원료로 전환하는 고효율 전극 기술을 개발하며 탄소자원화 기술 경쟁력을 끌어올렸다.

KAIST 화학과 송현준 교수 연구팀은 6일, CO₂ 전환 전해 공정의 핵심 난제로 꼽혀온 ‘침수(Flooding)’ 문제를 해결한 새로운 전극 구조를 개발했다고 밝혔다. 이번 기술은 중성 조건에서도 최대 86%의 전환 선택성을 달성하고, 50시간 이상 안정적으로 작동하는 것이 특징이다.

기존 CO₂ 전환 공정에서는 전극 내부가 전해액으로 채워지며 반응 기체가 접근할 수 있는 공간이 줄어드는 침수 현상이 성능 저하의 주요 원인이었다. 이를 해결하기 위해 소수성 소재를 적용할 경우 전기 전도성이 떨어지는 한계가 있어, 공정 복잡도와 효율 저하 문제가 동시에 발생해왔다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘3층 구조 전극’을 설계했다. 물을 튕겨내는 기판 위에 촉매층을 형성하고, 최상단을 ‘은 나노선 네트워크’로 덮어 전기 전도성과 촉매 반응을 동시에 확보한 구조다. 이 설계를 통해 전해액 침수를 차단하면서도 전자 이동을 원활하게 유지할 수 있도록 했다.

특히 은 나노선은 단순 전도체를 넘어 반응 촉매로 직접 작용하는 점이 핵심이다. 은 나노선에서 생성된 일산화탄소(CO)가 인접한 구리 촉매로 전달되며 후속 반응이 이어지는 ‘탠덤 촉매’ 메커니즘이 구현됐다. 이를 통해 에틸렌과 같은 다중 탄소 화합물 생성 효율이 크게 향상됐다.

실험 결과, 해당 전극은 알칼리 조건에서 79%, 중성 조건에서 86%의 선택도를 기록하며 세계 최고 수준 성능을 확보했다. 또한 장시간 구동 환경에서도 성능 저하 없이 안정성을 유지해 상용화 가능성을 높였다.

이번 연구는 CO₂를 에틸렌뿐 아니라 에탄올, 합성연료 등 다양한 고부가 화학물질로 전환할 수 있는 기반 기술로 확장될 수 있다는 점에서 의미가 크다. 특히 탄소 배출을 자원으로 전환하는 ‘탄소 순환 경제’ 구현의 핵심 기술로 평가된다.

연구팀은 이번 성과가 전극 설계 패러다임을 전환하는 계기가 될 것으로 보고 있으며, 향후 대규모 전해 시스템 적용을 통해 산업적 활용 가능성을 검증할 계획이다.