"'엉뚱한 실험'으로 100배 성과···광촉매 CO2 연구 집중"

박현웅 경북대 교수 "이산화탄소를 다양한 고부가가치 물질로 전환"
Korea CCS 2020사업 지원으로 3차원 광촉매 이용 인공광합성 반응 경로 규명
박현웅 경북대학교 에너지공학부 교수의 모습.<사진=연구팀 제공>박현웅 경북대학교 에너지공학부 교수의 모습.<사진=연구팀 제공>

"최근 공상과학영화에서 전 세계 이산화탄소를 다양한 고부가가치 물질로 완벽 전환하는 내용이 자주 등장합니다. 먼 미래 상상 속 주제입니다. 하지만 기후변화 최종 대응 수준이라고 볼 수 있죠. 우리 연구팀은 딱 그 수준까지 이산화탄소 물질전환 기술을 만들어 가겠습니다."

전 세계적으로 이산화탄소 감축을 위한 다양한 연구가 진행되고 있는 가운데 박현웅 경북대학교 에너지공학부 교수 연구팀은 '3차원 광촉매를 이용한 인공광합성 반응 경로'를 규명해 관심을 끌고 있다. 

연구팀은 이산화탄소를 제거하는 것이 아니라 고부가가치 물질로 전환하는 연구를 추진 중이다. 특히 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 연구에 집중하고 있다.

박현웅 교수는 "안정화된 이산화탄소를 다른 물질로 전환하기는 쉽지 않은 기술"이라며 "식물도 광합성을 통해 물질이 전환되듯 이를 모사하면 이산화탄소를 메탄올, 개미산, 포름산, 알코올 종류, 탄화수소가스 등 여러 가지 종류로 전환할 수 있다"고 설명했다.

그는 "전 세계 메탄올 시장은 1조 원, 포름산 시장은 10조 원 수준이다. 이 물질들은 현재 석유화학 기반으로 만들어지고 있다"며 "이산화탄소를 이용해 고부가가치의 물질, 즉 돈이 되는 물질로 만들기 위해 총력을 기울이겠다"고 포부를 밝혔다.

◆ "광촉매 개발···이산화탄소 감축 열쇠"

연구팀이 3차원 광촉매를 이용한 인공광합성 반응 경로를 규명했다.<사진=연구팀 제공>연구팀이 3차원 광촉매를 이용한 인공광합성 반응 경로를 규명했다.<사진=연구팀 제공>

"지구는 엄청난 양의 태양 빛을 받고 있습니다. 모든 빛을 1시간 모으면 인류가 1년 동안 쓸 수 있는 에너지를 모을 수 있죠. 하지만 양은 많은데 밀도가 낮아 활용에 어려움이 있습니다. 태양광 촉매도 쉽게 만들어질 수 없죠. 같은 조건에서 태양광 촉매 효율을 극대화할 수 있는 원인을 규명했습니다."

박 교수 연구팀은 지난달 태양광을 이용해 이산화탄소 반응을 극대화 시킬 수 있는 3차원 광촉매를 개발하고 반응 경로를 규명했다.

이산화탄소는 열화학적 안정성으로 이를 변환시키기 위해 높은 온도·압력·에너지가 필요하다. 반면 낮은 에너지를 이용해 이산화탄소의 화학적 전환을 만들기 위해 높은 활성의 촉매가 요구된다.

이산화탄소를 화학연료로 전환하는 인공광합성은 글로벌 기후 변화에 대응할 수 있는 핵심기술이다. 광촉매는 빛에너지를 화학에너지로 바꿔주는 물질로 태양광 흡수량이 높고 전하운반체 이동이 빠를수록 연료화 효율이 높아진다.

왼쪽부터 3차원 텅스텐 산화물 광촉매 구조, 3차원 텅스텐 산화물 광촉매 형광수명 이미지, 유한차분 시간영역 시뮬레이션을 통한 3차원 광촉매 상단의 광흡수율 비교 그림. <사진=연구팀 제공>왼쪽부터 3차원 텅스텐 산화물 광촉매 구조, 3차원 텅스텐 산화물 광촉매 형광수명 이미지, 유한차분 시간영역 시뮬레이션을 통한 3차원 광촉매 상단의 광흡수율 비교 그림. <사진=연구팀 제공>

기존 연구에서 3차원 구조 광촉매가 2차원 박막 형태 광촉매 보다 효율이 높은 것은 규명됐다. 하지만 구조 변화에 따른 3차원 광촉매 내부 작용 원리에 대한 연구는 부족했다.

또 광촉매에서 발생하는 양성자-전자쌍 수명이 나노초에서 마이크로초 사이 수준으로 짧아 광촉매 표면 전하운반체 이동 경로를 파악하는데 어려움이 있었다.

연구팀은 3차원 광촉매를 원기둥 형태로 제작했다. 유한차분 시간영역(Finite-difference time-domain) 시뮬레이션을 통해 원기둥 상단 특정 부분에서 태양광 흡수율이 향상되는 것을 확인했다.

또 광촉매 형광수명을 측정한 결과 원기둥 광촉매 표면의 가장자리에서 전하운반체가 빠르게 이동하는 것을 확인했다.

왼쪽부터 인가 전압에 따른 2, 3차원 텅스텐 산화물 광촉매의 광전류 발생량 비교, 3차원 텅스텐 산화물 내의 광전기화학적 반응 모식도.<사진=연구팀 제공> 왼쪽부터 인가 전압에 따른 2, 3차원 텅스텐 산화물 광촉매의 광전류 발생량 비교, 3차원 텅스텐 산화물 내의 광전기화학적 반응 모식도.<사진=연구팀 제공>

연구팀은 광촉매 반응에 널리 연구되는 텅스텐 산화물을 이용해 인공광합성 효율을 높였고 2차원 텅스텐 산화물로부터 약 3.5% 인공광합성 효율을 얻었다.

박 교수는 "3차원 광촉매 반응 경로 규명은 인공광합성 효율을 높이기 위한 다양한 시스템을 구성하는데 중요한 지표가 될 것"이라고 말했다.

◆ "연구 실패에 박수···'엉뚱한 결과' 인류 책임질 성과 낳는다"

박현웅 교수 연구팀 단체사진.<사진=연구팀 제공>박현웅 교수 연구팀 단체사진.<사진=연구팀 제공>

"재미난 에피소드가 있습니다. 연구팀 소속 학생 연구원이 이산화탄소를 포름산으로 만드는 연구에서 하루아침에 기존보다 100배 높은 효율을 갖는 성과를 만들어냈죠. 바로 '엉뚱한 연구 실패' 덕분이었습니다."

박 교수에 따르면 이산화탄소를 포름산으로 만들 수 있는 연구 결과는 많다.
하지만 수많은 논문의 연구결과는 순수한 광촉매로 포름산을 생산하는 효율성은 0.1% 남짓이다. 연구팀의 학생 연구원이 하루 아침에 기존대비 100배 높은 효율성을 만들어낸 것은 기적과 같은 일이었다.

박 교수는 지난 2013년 연구팀 학연생에게 기존 논문을 활용해 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 실험을 지시했다.

"연구원들은 처음 연구를 시작하면서 기존 논문 내용을 참조해 광촉매를 만들었습니다. 논문에는 광촉매를 만들 때 마지막 단계에서 Ar(아르곤 가스) 조건에서 고온가열해야 한다고 나와있죠. 하지만 학생 연구원의 실수로 논문에서 Ar을 Air(공기)로 잘못 읽고 공기 중에 광촉매를 가열했습니다. 놀랍게도 효율성이 기존대비 100배 높은 결과를 얻었습니다." 

박 교수는 연구팀의 '엉뚱한 실수'로 인한 연구 결과를 존중한다. 그는 "학생 연구원들은 좋은 연구결과가 나와야 한다는 부담감 때문에 과학적 현상을 굴절해 바라보는 경우가 있다"며 "엉뚱한 연구결과가 나와도 숨기지 않고, 결과를 가지고 교수와 학생 연구원들이 토론할 수 있는 연구실 분위기를 만들고 있다"고 말했다.

그는 "역사적으로 엉뚱한 실험이 인류의 혁신 결과를 가져오는 경우가 대부분이다"며 "엉뚱한 실험 결과를 묻어버리다 보면 인류를 변화시킬 혁신적 성과들을 놓치게 될 것이다. 연구팀은 과학적 현상을 그대로 바라볼 수 있는 안목을 중요시하고 있다"고 강조했다.

박 교수는 "지난 2000년 석사학위 과정부터 이산화탄소 전환 연구에 관심이 많았다. 최근 들어 KCRC 과제 등을 수행하면서 그동안 꿈꿔왔던 이산화탄소 전환 연구를 집중적으로 수행할 수 있게 됐다"며 "전 인류에게 유용한 기술과 제품을 만들겠다는 각오로 모든 과제·연구를 수행하겠다"고 말했다.

한편 박 교수의 이번 연구는 KCRC(한국이산화탄소포집및처리연구개발센터·센터장 박상도) '한국 이산화탄소 포집 및 처리 2020' 사업을 지원을 받아 수행되고 있다.[헬로디디·대덕넷]

연구팀은 박현웅 교수를 중심으로 다양한 연구 결과를 가지고 자유 토론할 수 있는 연구실 분위기를 만들어가고 있다.<사진=연구팀 제공>연구팀은 박현웅 교수를 중심으로 다양한 연구 결과를 가지고 자유 토론할 수 있는 연구실 분위기를 만들어가고 있다.<사진=연구팀 제공>
박성민 기자의 다른 기사 더보기
독자의견
로그인 독자분들의 소중한 의견은 과학과 국민을 잇는 밑거름이 됩니다
0/ 300자