재생에너지 전력 변동에도 대기 전압으로 일산화탄소 전해조 안정성 유지

소량의 대기 전류가 핵심 촉매를 보호한다

연구진이 가동 중단 때 낮은 보호 전압을 유지하자, 불과 세 차례의 정지 주기만으로 유용한 화학물질을 만드는 능력을 잃었던 구리 촉매가 운전 조건이 바뀌는 상황에서도 750시간 넘게 생산성을 유지했다. 이번 발견은 일산화탄소 전기분해를 햇빛, 바람, 전기요금에 따라 변동하는 전력 공급에 맞춰 운영할 실용적인 방법을 제시한다.

7월 8일 네이처 캐털리시스(Nature Catalysis)에 발표된 이 연구는 전해조가 생산 재개를 기다리는 동안 구리를 보호하는 운전 전략을 설명한다. 경제성 분석에 따르면 전기요금이 저렴한 시간대로 생산을 옮길 경우 아세트산 제조 비용을 최대 26% 낮출 수 있다.

포항공과대학교(POSTECH)는 10월 22일 연구 결과를 발표했다. 국제 공동 연구팀에는 POSTECH 신소재공학과 권순호 교수, 세인트루이스 워싱턴대학교의 펑자오, 캘리포니아 공과대학교의 윌리엄 고다드, 베이징대학교 연구진이 참여했다.

네이처 캐털리시스 연구의 핵심 발견은 생산 중단 때의 전기적 조건이 재가동 후 장비의 정상 작동 여부를 좌우할 수 있다는 점이다. 구리 표면을 보호하는 데 필요한 전력은 일반적인 화학제품 생산에 드는 전력보다 훨씬 적었다.

가동 중단이 문제를 일으킨 이유

일산화탄소 전기분해는 제철소 등 시설에서 배출되는 가스를 포함한 일산화탄소에 전기를 가해 화학 원료로 전환하는 공정이다. 생산물로는 플라스틱 제조에 쓰이는 에틸렌과 식초에 들어 있는 산이자 산업용 화학 원료인 아세트산 등이 있다.

구리 촉매는 음극에서 이런 반응이 일어나도록 돕는다. 음극은 일산화탄소가 전자를 받는 전극이다. 구리 표면은 분자가 반응할 자리를 제공한다. 이 자리가 다른 물질로 덮이거나 구리의 화학적 상태가 달라지면 장치는 의도한 생산물을 만들지 못할 수 있다.

이 공정에서는 전기료가 생산 비용의 절반 이상을 차지해 저렴한 재생에너지가 매력적인 선택지다. 하지만 태양광과 풍력 발전량은 일조량과 날씨에 따라 변한다. 전력을 따라 생산량을 조절하려면 연속 가동을 전제로 설계된 장비도 가동 중단을 견딜 수 있어야 한다.

연구진은 이 문제를 살펴보기 위해 전해조를 반복해서 껐다 켰다. 단 세 차례의 주기 뒤 장치는 원하는 화학 원료 대신 수소를 생산했다. 수소도 다른 용도로 유용하지만, 이 경우에는 장치가 만들도록 설계된 생산물에서 전력이 벗어나고 있다는 뜻이었다.

구리가 손상되는 두 가지 경로

연구팀은 고장 원인을 찾기 위해 부품을 하나씩 교체했다. 구리 촉매를 바꾸자 성능이 회복됐고, 이에 따라 전기가 끊긴 동안 구리 표면에서 일어나는 변화에 관심이 모였다.

라만 분광법과 컴퓨터 시뮬레이션으로 손상 원인을 설명할 수 있었다. 라만 분광법은 산란된 빛을 이용해 화학 물질을 식별하는 기법이다. 일산화탄소가 풍부한 조건에서는 가동 중단 중 구리 표면에 남은 물질이 탄산염 침전물을 형성했다. 이 침전물이 원하는 반응에 필요한 자리를 덮었다.

일산화탄소 분위기를 아르곤으로 바꾸자 또 다른 문제가 생겼다. 논문은 아르곤 조건에서 구리가 산화돼 Cu2O, 즉 산화구리(I)가 형성됐다고 밝혔다. 쉽게 말해 구리가 생산에 필요한 표면 상태를 유지하는 대신 산화물로 변한 것이다.

따라서 실험에서는 두 가지 고장 경로가 확인됐다. 일산화탄소가 있을 때는 탄산염이 쌓이고, 아르곤 조건에서는 구리가 산화됐다. 장비를 보호하려면 주변 기체만 바꿀 것이 아니라 중단 중 구리의 전기적 상태를 제어해야 했다.

보호 대기 운전의 원리

연구진은 완전히 전원을 끄는 대신 약한 전기 입력을 유지했다. 연구에서 제시한 보호 설정은 외부 회로에 전류가 흐르지 않을 때 도달하는 전위인 개방회로 전위보다 음극 전위를 약간 더 낮게 유지하는 것이다.

연구와 함께 제시된 운전 설명에 따르면 대기 전압은 약 1.8~1.9볼트로, 개방회로 전압인 약 1.5볼트보다 높다. 논문은 음극의 전위를 설명하고, 이 운전 수치는 장치에 가하는 전압을 나타낸다. 실제 운전에서는 중단 중 구리가 보호에 필요한 전기적 상태를 유지하도록 하는 것이 중요하다.

이 보호 조치로 탄산염 생성률은 기존의 약 100만분의 1로 떨어졌다. 제어된 대기 운전은 아르곤 실험에서 확인된 구리 산화도 막았다.

보고된 분석에서 대기 전력 비용은 총생산 비용의 1% 미만이었다. 중단 중 소액의 비용을 계속 부담하는 대신, 기능을 유지한 촉매로 화학물질 생산을 재개할 수 있는 방식이다.

휴대전화를 대기 모드로 두는 것에 비유하면 이해하기 쉽다. 주된 기능은 멈추지만 기기는 일부 전력을 공급받는다. 전해조에서는 이 소량의 전기 입력이 화학적으로 활성화된 표면을 보호한다.

한 달간의 시험이 보여준 결과

연구팀은 태양광 발전이 한 달 동안 변동하는 상황을 모사하기 위해 약 750시간에 걸쳐 일반 운전과 대기 운전을 31차례 반복했다. 논문은 큰 성능 저하 없이 750시간 넘게 안정적으로 변동 운전을 했다고 보고했다. 변동 운전이란 장치를 한 가지 설정으로 계속 가동하는 대신 시간에 따라 운전 상태를 바꾸는 것을 뜻한다.

원하는 생산물의 비중은 약 75%로 유지됐다. 또한 일주일간 중단한 뒤에도 장치 성능이 회복됐다. 이는 모의 태양광 운전 일정에서 반복한 짧은 중단에 더해 장기간의 중단도 시험한 결과다.

이 결과는 재생에너지 발전량에 맞춰 운전하는 공장의 실질적인 과제를 다룬다. 한 차례 중단 없이 가동할 때만 성능을 발휘하는 것이 아니라, 반복해서 재가동할 수 있어야 한다. 일반적인 정지 주기 세 차례 뒤 고장 난 것과 보호 조치 아래 31차례의 주기 동안 운전을 지속한 것은 큰 차이다.

시험은 일산화탄소 전해조와 구리 촉매에 초점을 맞췄다. 이 방식을 상업적으로 적용하려면 일반 생산이 중단될 때마다 보호 상태를 유지해야 한다. 연구진은 상용화 일정은 제시하지 않았다.

비용 수치가 실제로 보여주는 것

경제성 분석에서는 생산을 전기요금이 저렴한 시간대로 옮길 수 있는지 살펴보기 위해 남호주의 전기요금 데이터를 사용했다. 이 지역은 전력의 70% 이상을 재생에너지로 생산하는 곳으로 소개됐다. 전력 공급과 가격 변화에 대응할 수 있는 공정을 연구하기에 적절한 환경이다.

연구진은 아세트산 생산 비용이 킬로그램당 2.13달러에서 1.63달러로 낮아지는 것으로 분석했다. 제시된 수치의 차액은 킬로그램당 0.50달러, 약 23.5% 절감이다. 반면 논문은 모델링 결과 최대 26%까지 비용을 낮출 수 있다고 밝혔다. 따라서 최대 절감률과 제시된 가격 두 개는 절감 가능성을 서로 다른 수치로 나타낸 것이다.

26%라는 수치는 모델링한 아세트산 생산 비용에 관한 것이다. 비용 절감의 원리는 생산 시점을 경제적으로 조정하는 데 있다. 전기요금이 저렴할 때 화학물질을 생산하고, 그 사이에는 보호 대기 설정을 사용한다.

제시된 가격을 적용하면 1,000킬로그램 생산 비용은 높은 비용 시나리오에서 2,130달러, 낮은 비용 시나리오에서 1,630달러로 500달러 차이가 난다. 전기료가 생산 비용의 절반 이상을 차지하는 공정에서 소액의 대기 비용을 부담할 만한 이유를 보여주는 계산이다.

날씨만큼이나 중요한 전기요금

연구팀은 10개국의 전기료를 비교한 결과, 시간대별 가격 변동이 클수록 잠재적인 절감 폭도 커지는 것으로 나타났다. 유연하게 운전할 수 있는 전해조는 비싼 시간대를 피하고 저렴한 시간대에 생산을 집중할수록 비용을 더 절약할 수 있다.

남호주 분석은 연구의 두 가지 요소를 연결한다. 촉매 보호는 반복적인 가동 중단을 가능하게 하고, 변동하는 전기요금은 운영자가 가동을 멈출 경제적 이유를 제공한다. 모델링된 이점을 얻으려면 두 요소가 모두 필요하다.

생산자는 대기 운전에 쓰이는 소량의 전기료를 계속 부담해야 한다. 이 비용을 상쇄할 만큼 비싼 시간대의 생산을 피하는 것이 이점의 원천이다. 전기요금 변동이 크지 않은 곳에서는 같은 생산 일정 조정으로 기대할 수 있는 절감 폭이 더 작다.

따라서 이 연구는 유연한 운전의 가치가 지역 전력시장과 연관돼 있음을 보여준다. 보고된 최대 절감률은 분석에 사용된 가격과 운전 가정에 따른 것이며, 10개국 비교 결과는 지역에 따라 절감 폭이 달라지는 이유를 보여준다.

촉매 설계가 아닌 운전 방식의 변화

연구에 참여한 POSTECH 신소재공학과 권순호 교수는 가동 중단 중 일어나는 변화를 확인한 덕분에 전압 제어로 촉매를 보호할 수 있었다고 말했다.

전원을 껐을 때 촉매 표면에서 어떤 일이 일어나는지를 원자 수준에서 밝혀, 간단한 전압 제어만으로 촉매를 보호하는 해결책을 찾을 수 있었습니다.

권 교수는 기존 장비의 운전 방식을 바꾸는 상용화 목표도 설명했다.

새로운 촉매나 장비를 개발하지 않고도 운전 방식만 바꾸면 재생에너지 기반 탄소 전환 기술의 상용화를 앞당길 수 있습니다.

제안된 이점은 분명하다. 운영자는 대체 촉매 물질을 먼저 개발하지 않고도 중단 중 구리 촉매를 보존할 수 있다. 이번 연구는 표면 화학, 전기 제어, 전력 구매를 하나의 운전 전략으로 연결한다.

연구는 한국 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 게이츠 재단, 미국 에너지부가 지원하는 리퀴드 선라이트 얼라이언스의 지원을 받았다.

7월 논문 발표에서 10월 연구 성과 발표까지

연구는 7월 온라인으로 공개된 뒤 학술지 8월호에 실렸다. POSTECH의 연구 저장소 기록에는 네이처 캐털리시스 제9권 8호 823~833쪽에 게재됐으며 DOI는 10.1038/s41929-026-01574-z라고 나와 있다.

• 2026년 7월 8일: 연구가 네이처 캐털리시스에 온라인으로 발표됐다.
• 2026년 8월: POSTECH 저장소에 따르면 논문이 실린 학술지 호가 발행됐다.
• 2026년 10월 22일: POSTECH이 연구 결과와 변동하는 재생에너지 전력에 적용할 가능성을 발표했다.

이번 연구는 화학제품 생산 과정에서 쉽게 간과되는 부분, 즉 기계가 대기하는 동안 일어나는 일에 주목했다. 이 사례에서는 소량의 보호 전기 입력이 다음 생산 시점까지 촉매를 사용할 수 있는 상태로 유지했고, 경제성 분석에서는 전기료가 저렴한 시간대에 생산하는 일정도 가능하게 했다.

핵심 내용

• 일반적인 가동 중단 후 세 차례 만에 구리 촉매가 의도한 화학제품 생산 기능을 잃었다.
• 탄산염 침전물과 구리 산화가 성능 저하의 두 가지 원인으로 확인됐다.
• 보호 대기 설정으로 31차례의 생산·대기 주기를 포함해 750시간 넘게 안정적으로 운전할 수 있었다.
• 대기 전력은 총생산 비용의 1% 미만을 차지했다.
• 연구는 아세트산 생산 비용이 최대 26% 절감될 수 있다고 모델링했다. 킬로그램당 2.13달러와 1.63달러라는 가격은 약 23.5% 절감을 뜻한다.
• 10개국 비교에서는 시간대별 전기요금 변동이 클수록 절감 폭도 커지는 것으로 나타났다.