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CO₂를 99% 순수연료로···저렴한 '광촉매' 개발

송현준 KAIST 화학과 교수 연구팀, 변환 활성 크게 높아
광나노촉매를 이용한 수용액에서의 이산화탄소 변환 반응 개념도.<사진=KAIST>광나노촉매를 이용한 수용액에서의 이산화탄소 변환 반응 개념도.<사진=KAIST>

이산화탄소(CO₂)를 메탄 연료로 바꿔주는 저렴한 광나노촉매가 개발됐다.

KAIST(총장 신성철)는 송현준 화학과 교수 연구팀이 탄산수에 포함된 이산화탄소를 99% 순수한 메탄 연료로 바꿔주는 금속산화물 혼성 광나노촉매를 개발했다고 9일 밝혔다.

태양광을 이용해 메탄으로 변환하는 기술은 태양전지를 이용해 전기를 생산한 후 전지에 저장하는 방식보다 효율적이다.

하지만 태양광은 해가 떠 있는 동안에만 이용하고 발전량이 날씨에 따라 일정하지 않다는 게 한계다. 때문에 태양광을 이용해 이산화탄소를 변환해 에너지와 환경 문제를 동시에 해결하는 연구가 다양하게 이뤄지고 있다.

그러나 이산화탄소는 매우 안정적인 물질로 다른 분자로 변환이 어려워 효율과 선택성이 좋은 촉매 개발이 요구돼 왔다.

지금까지 보고된 촉매는 반응 활성이 낮거나 다양한 혼합 생성물들이 생겨 실제 반응에 적용되기 어려웠다.

송 교수 연구팀은 선크림에 주로 사용되는 아연산화물 나노입자를 합성했다. 이후 표면에 구리산화물을 단결정으로 성장시키고 콜로이드 형태의 아연 구리산화물 혼성 나노구조체를 제작했다.

구리산화물은 빛을 받으면 높은 에너지를 가진 전자를 생성해 탄산수에 녹아있는 이산화탄소를 메탄으로 바꿔주는 역할을 한다.

또 아연 산화물도 빛을 받아 전자를 생성한 뒤 구리산화물로 전달해 주기 때문에 나뭇잎에서 일어나는 광합성 현상과 유사한 원리를 통해 반응 메커니즘을 오래 유지할 수 있다.

연구팀은 나노화학 합성방법으로 촉매 입자의 구조를 일정하게 조절하고 높은 표면적을 유지시켰다. 이를 통해 변환 활성을 수백배 증가시켰다

그 결과 수용액에서 반응 실험만으로도 이산화탄소에서 99%의 순수한 메탄 확보가 가능했다.

송 교수는 "기존 불균일 광촉매는 고체 분말 형태로 구조가 균일하지 않고 물에 분산되기 어려웠다"면서 "이번 연구처럼 나노 수준에서 촉매구조의 정밀한 조절은 광촉매 반응의 효율 향상과 원리 연구에 큰 도움을 줄 것"이라고 덧붙였다.

한편 이번 연구는 사우디 아람코-KAIST CO₂매니지먼트 센터와 한국연구재단, IBS(기초과학연구원)의 지원을 받아 수행됐다.

이번 연구에는 목포대 남기민 교수와 공동으로 연구하고 KAIST 배경렬 박사, 김진모 박사과정이 공동 1저자로, 임찬규 박사과정이 3저자로 참여했다. 이번 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 7일자 온라인 판에 게재됐다.
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