DGIST 에너지공학전공 인수일 교수 연구팀이 이산화탄소를 메탄으로 전환해 에너지원으로 사용할 수 있는 환원된 이산화티타늄-산화구리(Reduced titania–Cu2O) 광촉매를 개발했습니다. 이번 연구는 이산화탄소 저감을 통한 기후변화 대응과 대체에너지 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <Applied Catalysis B: Environmental>에 게재됐습니다.
이산화탄소를 에너지원으로
지난 5월 하와이 마우나로아 관측소에서 측정한 대기 중 이산화탄소의 농도는 471.1ppm으로 역대 최고 수치를 기록했습니다. 대기 중 이산화탄소는 이상기후를 일으키는 지구온난화의 가장 큰 원인이며 주로 화석연료의 사용을 통해 대기 중으로 배출됩니다. 이를 해결하기 위해 이산화탄소를 에너지원으로 전환하기 위한 연구가 세계적으로 진행되고 있습니다.
이중 인공광합성을 통해 에너지로 전환하는 광촉매 연구가 가장 주목받고 있습니다. 하지만 가장 일반적으로 연구되고 사용되는 이산화티타늄 광촉매는 큰 에너지 영역인 자외선만을 흡수하는 촉매 활성을 보이는 등 제약 조건이 많습니다. 이에 자연광에서 인공광합성 효율을 높이기 위한 촉매 성능이 매우 중요해 이에 대한 더 많은 연구가 필요한 실정입니다.
이에 DGIST 인수일 교수 연구팀은 자외선 뿐만 아니라 가시광 흡수가 우수한 환원된 이산화티타늄 주촉매와 산화구리 조촉매를 사용해 고안정성의 광촉매를 개발했습니다. 식물의 광합성 작용을 모사해 개발한 이번 광촉매는 산화구리 조촉매와 환원된 이산화티타늄 주촉매의 이형 구조(Heterostructure) 밴드 갭 구조로 설계했습니다. 조촉매로 사용된 산화구리는 이산화탄소 환원 반응에 더 많은 전자를 이동시켜 에너지 전환율을 더욱 높일 수 있었습니다. 이는 기존의 이산화티타늄 광촉매에 비해 자외선 뿐만 아니라 가시광선 영역의 빛을 흡수해 더 많은 태양광을 흡수할 수 있는 장점이 있습니다.
- 주촉매(主觸媒)
낮은 에너지상태를 화학적 반응으로 활성화시키는 주 물질입니다.
- 조촉매(助觸媒)
주촉매의 활성을 높이거나 촉매에 의해 일어나는 반응을 변화시키기 위해 첨가하는 물질입니다.
연구팀은 실험을 통해 희석된 이산화탄소 조건에서 연구팀의 산화구리-이산화티타늄 촉매가 기존의 환원 이산화티타늄 촉매보다 10배 더 많은 양의 메탄을 생성하는 것을 확인했습니다. 또한 안정성 측정을 위해 특정 기체상 화합물의 함량 측정기인 가스 크로마토그래피(Gas chromatography)분석으로 42시간의 장기 운전에서도 우수한 안정성을 보임을 확인했습니다.
DGIST 인수일 교수는 "이번 연구는 지구상에 풍부한 구리 금속을 이용한 조촉매를 사용해 낮은 가격에 높은 안정성을 확보했다는데 큰 의의가 있다"라며 "인류의 생존을 위협하는 기후변화에 대응하기 위해 후속 연구를 진행하겠다"고 밝혔습니다.
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