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• KAIST·서울대, 세리아 촉매 ‘산소 사용 원리’ 세계 최초 규명

  송고일 : 2026-02-04
  
  
  
  
  

  왼쪽부터 KAIST 이현주 교수, 최윤지 박사 과정생, 한재범 박사 과정생, KAIST 박정영 교수, 윗줄 왼쪽부터 서울대 한정우 교수, 정석현 박사 /KAIST 제공 [투데이에너지 김원빈 기자]  KAIST(총장 이광형) 이현주·박정영 교수와 서울대학교(총장 유홍림) 한정우 교수 공동연구팀이 친환경 촉매로 널리 활용되는 세리아(CeO₂)가 크기에 따라 산소를 활용하는 방식이 전혀 다르다는 사실을 세계 최초로 규명했다고 4일 밝혔다.  기후 위기가 심화되면서 온실가스를 효과적으로 제거하는 기술 개발이 시급한 과제로 떠오른 가운데, 유해가스를 산소와 반응시켜 분해하는 촉매 기술은 친환경 정화의 핵심 수단으로 주목받고 있다. KAIST에 따르면 세리아는 값비싼 귀금속 촉매를 대체하거나 보완할 수 있는 금속산화물 촉매로, 산소를 저장했다가 필요할 때 방출할 수 있어 ‘산소 탱크’로 불려왔다. 그러나 그동안 산소가 어디서 유입되고, 어떤 조건에서 반응에 활용되는지에 대한 메커니즘은 명확히 규명되지 않았다. 연구팀은 세리아를 단순히 ‘산소를 잘 쓰는 촉매’가 아니라 ‘상황에 맞게 산소를 선택적으로 활용하는 촉매’라는 새로운 관점에서 접근했다. 이를 위해 수 나노미터 수준의 초미세 입자부터 상대적으로 큰 입자까지 크기를 정밀 제어한 세리아 촉매를 제작하고, 산소 이동 경로와 반응 특성을 다각도로 분석했다. 분석 결과, 작은 세리아 촉매는 공기 중 산소를 빠르게 흡수해 즉각적으로 반응에 사용하는 ‘순발력형’ 촉매로 작동하는 반면, 큰 세리아 촉매는 내부에 저장된 산소를 표면으로 이동시켜 지속적으로 공급하는 ‘지구력형’ 촉매 역할을 한다는 사실을 확인했다. 즉, 촉매의 크기만 조절해도 공기 중 산소를 사용할지, 내부 저장 산소를 활용할지를 선택할 수 있는 설계 원리가 밝혀진 것이다. 연구팀은 첨단 실험 분석과 인공지능(AI) 기반 시뮬레이션을 병행해 이러한 메커니즘을 동시에 검증했다. 연구진은 이를 메탄 제거 실험에 적용했다. 메탄은 산소와 반응해 이산화탄소와 물로 전환되는 촉매 산화 과정을 통해 제거할 수 있다. 실험 결과, 작은 세리아 촉매가 공기 중 산소를 즉각 활용해 저온·고습 환경에서도 안정적으로 메탄을 제거하는 성능을 보였다. 이는 백금(Pt)·팔라듐(Pd) 등 고가의 귀금속 촉매 사용량을 크게 줄이면서도 성능을 오히려 개선할 수 있음을 시사한다. 연구팀은 이번 성과가 환경 정화 장비의 제조 비용 절감은 물론, 비·습기 등 실제 산업 환경에서도 성능을 유지하는 고내구성 촉매 개발로 이어져 친환경 에너지·환경 산업의 상용화를 앞당길 것으로 기대했다. 이현주 교수는 “이번 연구는 촉매에서 산소가 작동하는 두 가지 핵심 메커니즘을 처음으로 명확히 구분한 성과”라며 “기후 위기 대응에 필요한 고효율 촉매를 반응 조건에 맞춰 맞춤 설계할 수 있는 새로운 길을 열었다”고 말했다. 이번 연구에는 KAIST 생명화학공학과 최윤지 박사과정, 서울대 재료공학부 정석현 박사, KAIST 화학과 한재범 박사과정이 공동 제1저자로 참여했다. 또한 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 1월 9일자에 게재됐다. ■ 용어설명 세리아(CeO2)=세륨(Cerium)이라는 금속과 산소가 결합한 화합물 
  
  
  출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)