국내 연구팀이 별도의 화합물 첨가 없이 물과 빛만으로 이산화탄소를 유용한 연료로 전환할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다.
현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장(서울대 석좌교수) 연구팀은 인수일 대구경북과학기술원(DGIST) 교수팀, 김형준 한국과학기술원(KAIST) 교수팀과 함께 이산화탄소를 메탄·에탄 같은 유용한 탄화수소에너지로 전환하는 광촉매를 개발하고 작동 원리를 구명했다.
광촉매는 태양광에너지를 화학연료로 직접 전환할 수 있는 친환경 시스템이다. IBS 나노입자연구단은 선행 연구에서 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 위에 구리 원자를 올린 단원자 구리, 이산화티타늄 촉매를 개발하고 태양광과 물로 수소를 생산하는 데 성공한 바 있다. 당시 개발된 촉매는 값비싼 귀금속을 사용하지 않고도 촉매의 성능을 수십 배 이상 향상시켜 주목을 받았다.
이번에는 더 나아가 단원자 구리, 이산화티타늄 광촉매가 이산화탄소와 원자 단위에서 상호 작용하는 원리를 밝히고 태양광과 물만 이용해 이산화탄소를 화학연료로 전환시키는 촉매 개발에 성공했다.
연구진은 금속·지지체 상호 작용을 원자 단위에서 조절하면 이산화탄소가 효과적으로 전환될 수 있는 활성점(active site)이 생긴다는 사실을 발견하고 단원자 구리, 이산화티타늄 촉매를 설계했다. 이렇게 최적화된 광촉매는 기존 이산화티타늄 광촉매에 비해 60배 이상 높아진 효율로 이산화탄소를 메탄·에탄과 같은 탄화수소 연료로 전환시킬 수 있었다.
인수일 DGIST 교수는 “이산화티타늄 광촉매뿐만 아니라 다른 여러 종류의 광촉매 성능을 향상시키는 데 전반적으로 적용할 수 있다”며 “이산화탄소 광전환 메커니즘을 다양한 광합성 촉매에 적용하기 위한 후속 연구를 진행할 것”이라고 말했다. 현택환 단장은 “추가 연구를 진행하면 광촉매를 이용해 이산화탄소를 에탄올·프로판올 등 더 고부가가치 있는 화학물질로 전환시키는 것도 가능할 것”이라고 기대했다.
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