태양빛과 물만으로 이산화탄소를 탄화수소로 전환시키는 이산화티타늄 촉매 메커니즘(IBS 제공)© 뉴스1

국내 연구진이 별도의 화합물 첨가 없이 물과 빛만으로 이산화탄소를 유용한 연료로 전환할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다.

기존 촉매 대비 60배 이상 높아진 효율로, 향후 다양한 종류의 광촉매 성능 향상에 적용이 기대된다.29일 기초과학연구원(IBS)에 따르면 현택환 나노입자연구단장 연구팀이 △인수일 DGIST 교수팀 △김형준 KAIST 교수팀과 공동으로 이산화탄소를 메탄·에탄 같은 유용한 탄화수소 에너지로 전환하는 광촉매를 개발하고, 그 작동 원리를 규명했다.

광촉매(photocatalyst)는 태양광 에너지를 화학연료로 직접 전환할 수 있는 친환경 시스템이다.

IBS 나노입자 연구단은 이전 연구에서 광촉매인 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자 위에 구리 원자를 올린 단원자 구리·이산화티타늄 촉매를 개발하고, 태양광과 물로 수소를 생산하는 데 성공한 바 있다.이번 연구에서는 단원자 구리·이산화티타늄 광촉매가 이산화탄소와 원자 단위에서 상호작용하는 메커니즘을 규명했다.

이를 바탕으로 태양광과 물만 이용해 이산화탄소를 화학연료로 전환시키는 촉매 개발에 성공했다.

연구진은 안정화된 구리 원자와 이산화티타늄 광촉매 사이에서 일어나는 금속-지지체 상호작용에 주목했다.

촉매의 활성을 높이기 위한 필수요소지만, 원자 단위의 정밀한 조정이 어려웠다.

이에 연구진은 금속-지지체 상호작용을 원자 단위에서 조절하면 이산화탄소가 효과적으로 전환될 수 있는 활성점(active site)이 생긴다는 사실을 발견했다.

이를 기반으로 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.

현택환 단장은 “향후 광촉매를 이용해 이산화탄소를 에탄올, 프로판올 등 더 고부가가치의 화학물질로 전환시키는 것도 가능할 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구성과는 에너지 환경과학 분야 세계적 권위지인 ‘에너지와 환경과학’ 9월20일자 온라인판에 게재됐다.


km5030@news1.kr