서강대학교 화공생명공학과 이웅 교수 연구팀과 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 원다혜 박사 연구팀의 공동연구 성과가 국제 학술지 Advanced Science(Impact Factor:14.1)에 2026년 11월 10일 게재되었다. 이번 연구에서 서강대 연구팀은 전산유체역학(CFD) 기반 다중물리 시뮬레이션을, KIST 연구팀은 촉매 합성과 전기화학 실험을 맡아 실험과 모델링을 결합한 연구를 수행했다.

이산화탄소(CO₂)를 전기화학적으로 환원해 에틸렌(C₂H₄) 같은 고부가 화학원료로 바꾸는 기술에서는 구리(Cu) 촉매를 다공성 탄소에 담아 쓰는 경우가 많다. 하지만 탄소의 기공 구조가 촉매층 안에서 CO₂ 이동에 어떤 영향을 주는지는 충분히 밝혀지지 않았다. 공동연구팀은 Cu nano-particle을 탄소 골격 전체에 고르게 형성시킨 ‘hierarchically integrated Cu/C 촉매를 합성했다. 이 촉매는 700 mA cm^-2의 고전류밀도에서 C₂H₄ 부분 전류밀도 355 mA cm^-2(FE 50.7%)를 기록했다. Cu 나노입자와 탄소를 physical mixing 방식으로 섞은 전극보다 C₂H₄ 생산성은 약 20% 높았고, 필요한 전위는 약 0.3 V 나 낮았다.

서강대 연구팀은 이 성능 차이의 원인을 밝히기 위해 촉매층 계면을 모사한 2차원 Multiphysics 모델을 구축했다. 모델에는 가스 유로, gas diffusion layer, 촉매층, 전해질 유로가 포함된다. 두 구조에 동일한 반응 속도 파라미터를 적용해 계산한 결과, 실험에서 관찰된 생성물별 성능 경향이 재현되었다. 이를 통해 성능 차이가 반응속도가 아니라 구조에 따른 물질전달 차이에서 비롯된다는 점을 보였다. 시뮬레이션 결과를 보면, integrated 구조에서는 gas-liquid interface에서 Cu 활성점까지의 CO₂ 확산 경로가 짧아지고 기상에서 액상으로의 CO₂ 상변이 속도가 빨라진다. 그 결과 고전류 조건에서 국부적인 CO₂ 고갈이 완화되었다. 또한 기공 크기와 공극률에 대한 민감도 분석을 통해 촉매층 구조 설계의 방향을 제시했다.

이번 연구는 탄소 기공 네트워크를 CO₂ 수송 통로로 활용하고 그 통로에 Cu 활성점을 통합한다는 설계 원리를 실험과 시뮬레이션 양쪽에서 뒷받침했다는 데 의의가 있다. 앞으로 고속 고효율 CO₂ 전환 전극을 설계하는 데 기여할 것으로 기대된다.

 

 

* 연구지원 및 참여 연구진

본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업(RS-2024-00406517), Global C.L.E.A.N. 사업(RS-2025-02373048), STEAM 사업(2022M3C1A3092056), RS-2025-00514059 과제와 KIST 기관고유사업의 지원을 받아 수행되었다.

 

공동 제1저자: 김현욱 박사(KIST/Queen’s University), 강은솔 연구원(KIST/고려대학교 화공생명공학과)

교신저자: 이웅 교수(서강대학교 화공생명공학과), 원다혜 박사(KIST 청정에너지연구센터/UST KIST 스쿨)

공동연구: 이기봉 교수(고려대학교 화공생명공학과) 외

 

* 연구실 홈페이지: https://cepl.sogang.ac.kr/

 

* 논문 정보: Reframing Porous Carbon as a Transport Framework for High-Rate CO2 Electroreduction

 

* 논문 링크: https://doi.org/10.1002/advs.78727