고려대학교는 신소재공학부 남대현 교수와 KU-KIST 융합대학원 백서인 교수 연구팀이 서울대학교 재료공학부 주영창 교수, 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀과 함께 구리 합금 메가 슬롯의 전기화학 반응 중 표면 변화 메커니즘을 세계 최초로 규명했다고 5일 밝혔다.
이번 연구는 이산화탄소를 에탄올과 같은 고부가가치 물질로 전환하는 전기화학 반응에서 발생하는 구리 합금 메가 슬롯의 표면 재건 현상을 실시간으로 분석하고, 그 원인을 체계적으로 밝혀낸 것이다. 연구 결과는 메가 슬롯 분야 최고 권위의 국제 학술지 Nature Catalysis 7월 14일자 온라인판에 표지 논문으로 게재됐다.
(논문명: Unveiling the reconstruction of copper bimetallic catalysts during CO₂ electroreduction, DOI: 10.1038/s41929-025-01368-9)
연구팀은 다양한 구리 합금 촉매를 설계하고 고전류 조건에서 반응 중 표면 구조의 변화를 정밀 분석했다. 그 결과, 구리–은 촉매는 표면에 구리 나노입자가 새롭게 형성된 반면, 구리–아연 촉매는 원래의 구조를 유지했다. 두 촉매 모두 일산화탄소 생성 능력은 유사했지만, 표면 변화 양상에 따라 생성물 종류가 달라졌다. 구리–은 촉매는 주로 에탄올을, 구리–아연 촉매는 일산화탄소를 더 많이 생산했다.
연구팀은 투과전자현미경을 활용해 반응 중 촉매 표면의 나노입자 형성과정을 실시간 관찰하고, 특정 반응 물질이 표면에 흡착되면서 금속이 녹아나고 다시 전착되는 ‘용출–재전착’ 현상이 재건 현상의 원인임을 규명했다. 또, 금속 원자의 배열은 합금의 혼화성에 따라 달라지며, 짧은 시간 내 전압을 빠르게 변화시키는 펄스 전위법으로 이러한 구조 변화를 제어할 수 있음도 입증했다.
남대현 교수는 “이번 연구는 예측이 어려웠던 재건현상을 체계적으로 규명한 최초의 사례”라며 “합성 조건에만 의존하던 기존의 촉매 설계에서 나아가, 실제 반응 환경에서의 변화까지 고려한 새로운 방향을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 밝혔다.