고려대·서강대와 공동연구, ‘꿈의 반응’ 실현… Nature Catalysis(IF:44.6)에 논문 게재
화학공학과 유종석 교수 연구팀이 고려대학교 문준혁 교수, 서강대학교 이진원 교수와의 공동 연구를 통해, IrO₂(이리듐 산화물) 전극 촉매를 활용해 저온에서도 메탄가스를 메탄올로 직접 전환할 수 있는 고효율 촉매 기술을 개발하는 데 성공했다.
메탄은 높은 에너지 효율과 낮은 오염물질 배출, 풍부한 자원량, 기존 에너지 인프라와의 뛰어난 호환성 등으로 인해 차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있다. 그러나 기체 상태라는 물리적 특성상 수송과 저장이 어렵다는 문제가 있으며, 이를 해결하기 위한 방안으로 메탄을 액체 연료인 메탄올로 전환하는 기술 개발이 오랜 기간 추진되어 왔다. 특히 이 반응은 촉매 과학 분야에서 ‘꿈의 반응(Holy Grail reaction)’으로 불릴 만큼 어려운 난제로, 학문적·산업적으로 큰 관심을 받아왔다.
이번 연구에서 유 교수팀은 계산화학 기법을 활용해 메탄-메탄올 전환 반응의 근본적인 병목 현상을 규명하고, 이를 극복하기 위해서는 IrO₂ 전극 촉매 표면에 활성 산소종이 높은 표면 덮힘율로 안정적으로 형성되는 것이 핵심임을 밝혀냈다. 이어서, 카보네이트(CO₃²⁻) 이온을 산화제로 활용할 경우 이러한 표면 조건이 구현될 수 있으며, 이를 통해 메탄을 메탄올로 선택적으로 전환할 수 있음을 이론적으로 입증하였다. 해당 결과는 고려대학교 문준혁 교수 연구팀의 실험을 통해 실제 반응 조건에서 성공적으로 검증되었으며, 서강대학교 이진원 교수 연구팀의 공정 분석을 통해 실용화 가능성 또한 확인되었다.
이번 연구는 탄소중립 사회 실현과 고부가가치 화학제품 생산을 동시에 달성할 수 있는 핵심 기반 기술로 평가받고 있으며, 혁신적인 에너지 전환 기술의 패러다임을 제시했다는 점에서 국내외 학계와 산업계의 큰 주목을 받고 있다.
한편, 이번 연구성과는 촉매 과학 분야 최고 권위 학술지인 ‘Nature Catalysis (IF: 44.6)’에 “High-selectivity room-temperature partial oxidation of methane to methanol enabled by electrochemical oxygen promotion on IrO2 catalysts”라는 제목으로 2025년 7월 4일자로 게재되었다.