서울대학교 기계공학부 박상욱 교수 연구팀(박상욱, 엄동근)과 재료공학부 한정우 교수 연구팀(한정우, 이유진)이 세계 최초로 천연 해수에서 이산화탄소를 메테인으로 바꾸는 전기화학 시스템을 개발했다. 연구팀은 반응 도중 스스로 저배위 활성 구조로 바뀌는 구리/산화구리 복합 촉매와, 해수 속 성능 저하 원인인 마그네슘·칼슘 이온을 선택적으로 묶는 EDTA 기반 킬레이션(chelation) 전략을 결합해 실제 바닷물 활용 조건의 한계를 뛰어넘었다. 논문에 따르면 플로우 셀(flow cell)에서 메테인 패러데이 효율은 65.4%, 수소 패러데이 효율은 24.7%를 기록하며 90% 이상의 친환경 e-연료 생산에 성공했으며, 24시간 동안 메테인 패러데이 효율을 평균 약 60% 수준으로 안정적으로 유지했다.

친환경 전기를 이용해서 이산화탄소를 유용한 연료로 바꾸는 기술은 탄소중립 시대의 핵심 기술로 손꼽힌다. 그중 메테인은 에너지 밀도가 높고, 기존 도시가스·천연가스 인프라를 그대로 활용할 수 있어 활용성이 크다. 하지만 바닷물에서 메테인을 선택적으로 만드는 일은 쉽지 않아, 지금껏 한 번도 시도된 적이 없는 기술이다. 바닷물에 들어 있는 여러 이온이 반응을 방해하고, 특히 마그네슘과 칼슘은 전극 표면을 막아 성능을 빠르게 떨어뜨릴 수 있기 때문이다.

연구팀은 이 문제를 두 가지 방식으로 풀었다. 먼저 촉매가 반응 중 더 활성이 높은 구조로 바뀌도록 설계해 메테인 생성에 유리한 환경을 만들었다. 여기에 킬레이트제인 EDTA를 더해 바닷물 속 마그네슘·칼슘 이온을 안정적으로 묶어두어 메테인 생산 반응 방해를 줄였다. 그 결과 천연 해수에서도 높은 메테인 선택도와 안정성을 동시에 확보할 수 있었다.

이번 성과는 초고순도 물이나 특수 전해질이 아니라 실제 바닷물을 활용해 이산화탄소를 연료로 바꿀 수 있는 가능성을 보여줬다는 데 의미가 있다. 연구진은 이번 기술이 앞으로 해수 기반 탄소자원화와 친환경 연료 생산기술로 이어질 수 있을 것으로 기대하고 있다. 본 연구 결과는 세계적으로 저명한 국제학술지 Applied Catalysis B: Environment and Energy (IF 21.1, Engineering & Environmental 분야 JIF 1위)에 26년 1월에 게재되었다.

※ 논문 링크 Chelation-enabled efficient CO2 electroreduction to methane in natural seawater using low-coordinated Cu catalyst - ScienceDirect