대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 에너지공학과 인수일 교수팀이 지구온난화의 주범인 이산화탄소(CO2)를 에너지 자원인 메탄으로 전환하는 고효율 광촉매를 개발했다고 1일 밝혔다.
연구팀이 개발한 광촉매는 나노입자 조촉매와 루테늄 도핑 조성을 최적화해 광학·전기적 물성 성능을 극대화했고 동시에 하이드록시기 표면처리로 CO2 흡착량을 높여 우수한 메탄 전환 성능을 확보했다. 연구팀은 매년 꾸준히 증가하는 대기 중 CO2 농도를 억제함과 동시에 메탄으로 자원화하는 탄소포집 및 활용(CCU) 기술에 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
지난해 전 세계 CO2 농도가 420ppm을 돌파하면서 지구 역사상 410만년 만에 최고치를 경신했다. 전례 없이 증가한 대기 중 CO2 농도로 인해 유럽에서는 가뭄으로 200억달러(약 25조4000억원) 규모의 경제적 피해가 발생했고 한반도에서는 115년 만의 기록적인 폭우사태가 발생하는 등 세계 각지의 기후변화로 인한 재난 피해가 속출하고 있다.
이를 해결하기 위해서는 기후재난의 원인인 CO2의 농도 감축이 필연적이다. 세계경제포럼은 태양광을 이용해 지구온난화의 주범인 CO2를 감축하면서 다양한 연료로 변환할 수 있는 ‘태양광 화합물’을 2020년 10대 유망기술로 선정했다. 태양광 화합물 기술 중 광촉매의 기상 반응을 통한 CO2 자원화 기술은 태양광과 광촉매만으로 화학적으로 매우 안정한 CO2를 메탄과 같은 연료로 전환하는 기술로 대기 중의 CO2 저감과 연료 생산을 동시에 노릴 수 있어 미래 화학산업의 주력 기술로 주목받고 있다.
하지만 현재 태양광 광촉매로써 상용화돼 사용 중인 ‘P25’(상용화된 이산화티타늄 광촉매)는 밴드갭(전도대 맨 아래 부분의 에너지 준위와 가전자대 맨 위 부분의 에너지 준위간의 에너지 차)이 커서 가시광선을 흡수할 수 없고 전하 전달이 느리다는 한계가 있다. 최근에 가시광 흡수와 전하 전달 문제를 해결하기 위해 여러 연구가 시도되었지만 기상 반응에서 낮은 CO2 흡착 성능과 전환 효율이라는 고질적인 문제로 고효율 광촉매 개발에 어려움이 있었다.
이에 인수일 교수 연구팀은 이산화티타늄으로 이루어진 P25에 가시광 흡수가 우수한 은 나노입자 조촉매(공촉매라고도 불리며 촉매의 활성을 높이거나 촉매에 의해 일어나는 반응을 규제 또는 변화시키기 위해 첨가하는 성분을 의미)를 붙이고 루테늄 도핑으로 전하 전달 성능을 개선한 고효율 광촉매를 개발했다. 또 과산화수소 처리로 광촉매 표면에 하이드록시기를 형성해 CO2 흡착 성능을 개선해 기상 반응에서 촉매 표면에 낮은 CO2 농도 문제를 해결했다.
연구팀의 메커니즘 분석에 따르면 루테늄 도핑으로 P25 밴드구조에 중간 상태에서의 전자가 축적되고 축적된 전자가 은 나노입자 조촉매로 전달돼 CO2를 메탄으로 전환함을 입증했다. 또 은 나노입자 조촉매와 루테늄 도핑을 분석해 CO2에서 고효율로 메탄을 만들어 낼 수 있는 최적의 조성(물질계를 구성하고 있는 여러 성분 양(量)의 비)을 밝혀냈다. 나아가 광촉매 표면에 흡착된 CO2양을 측정해 과산화수소로 염기화된 광촉매 표면이 상대적으로 산성을 띠는 CO2를 더 많이 흡착함을 입증했다.
디지스트 인수일 교수는 “이번에 개발한 새로운 광촉매는 가시광 흡수, CO2 흡착, 전자 전달 성능을 동시에 개선한 제품으로 현재 상용화된 P25 광촉매보다 135배 더 많은 양의 메탄을 95%의 높은 선택도로 전환해 24시간 장기 운전에도 96% 이상의 안정성이 유지되는 우수성을 가지고 있다”며 “향후 기술 실용화를 위해 광촉매 안정성 향상과 탄화수소의 선택성을 높이는 후속 연구를 진행할 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구사업으로 수행했으며 결과는 에너지·환경 분야의 저명한 국제학술지(Carbon Energy) 7월 온라인 게재됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr
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