인공광합성 기술은 물과 햇빛, 이산화탄소를 이용해 식물 엽록소가 촉매제 역할을 해 수소와 산소로 변환시키는 과정을 인공적으로 만드는 기술이다. 이 기술은 이산화탄소를 흡수해 청정에너지와 부가가치를 갖는 화학 원료를 생산할 수 있어 큰 주목을 받고 있다.

기존 엽록소 역할을 하는 이리듐 촉매는 안정적이고 성능이 좋지만 매장·생산량이 적고 가격이 비싸 이리듐 사용량을 감소시키면서도 촉매 성능을 높이기 위한 연구들이 중점적으로 진행되고 있다.

KIST-베를린 공대 공동 연구진은 이리듐 사용량을 줄이기 위해 이리듐-코발트 합금 나노 입자를 제조하여 코어로 활용, 이리듐 산화물 껍질을 갖는 코어-쉘 구조의 나노 촉매를 개발했다.

KIST 연구진은 이러한 촉매 디자인을 위해 실시간 X-선 흡수 분석법을 이용, 이리듐-산소 사이의 거리가 짧아 코어-쉘 구조 촉매가 높은 성능의 구조임을 확인했다. 전해질에 용해되어 손실되는 촉매 양이 적어 내구성이 높음 또한 실시간 유도플라즈마 분석법을 통해 도출했다.
 
KIST 연구진이 개발한 촉매는 이리듐을 기존 촉매보다 20% 적게 사용하고도 31% 이상 높은 성능을 보였다. 실제적 상용화 확인을 위해 수돗물을 이용한 장기 테스트에서도 수백 시간 이상 성능을 유지, 높은 내구성을 보였다.  

개발된 촉매를 실제 이산화탄소 전환 시스템에 적용한 결과 공정에 필요한 에너지가 반 이상 줄어들어 기존 이리듐 산화물 촉매를 사용했을 때와 같은 전압으로도 두 배 이상의 화합물을 만들 수 있었다. 이러한 결과들은 실제 촉매가 반응하는 과정에서 얻었다는 점에서 의미있다.

오형석 KIST 박사는 "이리듐-코발트 합금 코어와 이리듐 산화물 쉘을 갖는 코어-쉘 나노 촉매를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 문제인 산소 발생 반응의 성능과 내구성을 크게 개선할 수 있었다"며 "본 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 실용화에 크게 기여할 수 있음은 물론, 수소 생산 수전해 시스템 및 다양한 전해 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화대응기술개발사업으로 수행됐다. 연구결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 'Applied Catalysis B-Environmental' 최신호에 게재됐다.