백서인 교수 연구팀, 분자동역학 시뮬레이션을 통해 이산화탄소-포름산 전환 반응 메커니즘 규명,
국제 저명 학술지 Angewandte Chemie International Edition 게재
2026.05.29

□ 고려대학교(총장 김동원) KU-KIST 융합대학원 백서인 교수 연구팀이 전기화학적 이산화탄소 환원 반응 환경에서 포름산 전환 반응의 원자 수준 메커니즘을 규명하였다.
 
□ 이번 연구 성과는 독일화학회에서 발행하는 세계적인 화학 저널인 ‘Angewandte Chemie International Edition (IF=17.0)’ 온라인에 2026년 5월 15일 게재됐다.
*논문명: Bifurcation of *COOH Pathway Determines HCOOH Formation in CO2 Electroreduction on Bismuth
*DOI: 10.1002/anie.2216222
*URL: http://doi.org/10.1002/anie.2216222
 
□ 전기화학적 이산화탄소 환원 반응(CO2RR)은 대기 중 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환함으로써 탄소 중립을 실현케 하는 차세대 핵심 에너지 기술이다. 특히 포름산(HCOOH)은 높은 에너지 밀도와 수소 저장체로서의 활용성 덕분에 유망한 생성물로 꼽히며, 비스무트(Bi) 기반 촉매는 높은 활성과 선택성을 보여 강력한 후보로 연구되어 왔다. 그러나 비스무트 표면에서 이산화탄소가 포름산으로 전환되는 근본적인 원자 수준의 반응 메커니즘은 여전히 명확히 규명되지 않고 모호하게 남아있었다.
 
□ 연구팀은 이러한 메커니즘적 모호성을 해소하고자 물 분자, 반응 중간체, 그리고 전해질 양이 등 계면 인자를 통합적으로 고려한 분자동역학 시뮬레이션을 수행하였다. 정교하게 설계된 촉매의 전극-전해질 계면 모델을 바탕으로, 다양한 반응 경로를 정량적으로 분석함으로써, 기존의 지배적인 통념을 뒤집는 새로운 메커니즘을 밝혀내었다.
 
□ 분석 결과, 기존에 정설로 받아들여지던 산소 결합형 중간체(*OCHO) 형성 경로는 실제 동역학적으로 억제되어 있음을 확인하였다. 대신 통상적으로 일산화탄소(CO) 생성의 주요 경로로만 알려져있던 탄소 결합형 중간체인 *COOH 생성 경로가 실제로는 포름산 전환을 주도하는 핵심 경로임을 규명하였다. 특히, 시뮬레이션으로 예측된 *COOH 중간체의 존재를 실제 실험적 분광 분석을 통해 성공적으로 검출하여 이론의 신뢰성을 극대화하였다.
 
□ 이번 연구는 정적인 열역학 계산의 한계를 극복하고, 실제 전극 계면 환경과 전압 효과를 반영한 분자동역학 시뮬레이션을 도입하여 모델링의 현실성을 극대화하였다.
 
□ 연구팀은 “이번 연구는 실제 반응 환경을 정밀하게 모사한 동역학 시뮬레이션과 실험적 검증을 결합하여, 복잡한 촉매의 반응 메커니즘을 원자 수준에서 밝혀냈다는 데 큰 의의가 있다.”라며 “구축된 연구 플랫폼은 향후 다양한 촉매 반응을 원자 수준에서 이해하고 예측하는 연구에 폭넓게 적용될 것”이라고 밝혔다.
 
□ 본 연구는 한국연구재단의 나노소재기술개발사업, 신진연구, 글로벌 기초연구실지원사업, 국가연구소사업 (RS-2024-00448287, RS-2025-00513832, RS-2025-02214715, RS-2025-16063688), 고려대학교의 연구과제 지원 및 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨팅 자원 지원으로 수행됐다