한국화학연구원 환경자원연구센터(총괄책임자 백진욱 박사) 연구팀은 고려대, POSTECH, 이화여대 등과  공동연구를 통해 광촉매와 바이오촉매가 융합된 인공광합성 기술로 태양광에너지만 이용, CO₂를 포름산으로 전환하는 기술을 개발하는데 성공했다. 

이번 성과는 기존 연구와 비교해 혁신적인 기술로 평가된다. 기존에는 단일 광촉매를 사용한 전환방법, 즉 나노 구조의 단일 광촉매 사용으로 광전환 연구가 이뤄졌다. 그러나 이는 낮은 CO₂ 선택성과 낮은 효율로 실용화를 위한 공백기술 필요성이 대두됐다. 

연구팀은 식물의 광합성에서 착안했다. 인공광합성을 통해 CO₂를 화학물질로 전환하는 아이디어다. 연구팀은 2018년 새로운 고효율 CO₂ 전환용 2D 그래핀 필름 광촉매 제조기술을 개발했다. 또 같은해 광촉매-바이오촉매 융합 시스템용 3차원 구조를 가진 새로운 3D 폴리머(Polymer) 필름 광촉매도 개발했다. 이를 통해 태양광 중 가시광을 효과적으로 흡수, CO₂를 전환하고 높은 효율과 높은 선택도로 포름산을 제조할 수 있도록 했다. 

성과는 자연광합성의 평균 2%, 태양광 전환 효율을 상회하는 2.75%의 효율을 달성했다. 최종 목표치는 태양광 전환효율 3%이상 달성이다. 연구팀은 최종 목표 달성도 무난할 것으로 예상하고 있다. 생성물인 포름산의 선택도도 고선택성을 가진 바이오촉매 도입으로 100%까지 크게 개선했다. 특히 광촉매-바이오촉매 융합 시스템과 태양광만을 이용한 포름산 생산 기술은 기존 화석연료기반 포름산 생산 방법 대비 우수한 에너지 비용절감, 이산화탄소 감축 효과를 갖는 것으로 확인됐다. 연구팀은 포름산 1톤 생산시 394kg의 이산화탄소 감축 효과가 있을 것으로 예상했다.

연이은 성과로 연구팀은 세계 인공광합성 연구를 주도하는 것으로 평가받는다. 2014년 인공광합성으로 메탄올과 의약품을 제조하는 기술을 개발한데 이어 2016년에는 태양광의 46% 가량을 차지하는 가시광선으로 포름산을 만드는 기술을 개발하는데 성공했다.

연구팀은 SCI급 논문 10편, 특허 5건을 출원·등록했다. 현재는 광촉매의 전달 원리 규명과 광촉매의 박막화, 대면적화에 집중하고 있다. 핵심 원천기술을 확보함과 동시에 향후 연속 생산이 가능한 실용화 기틀도 마련할 계획이다.

모르도르 인텔리전스(Mordor Intelligence)에 의하면 전세계 포름산 시장은 2019년 기준 6억 2000만 달러(한화 6906억8000만원)규모다. 중국(저순도 제품)과 독일(고순도 제품)이 생산을 주도하고 있으며 연간 생산량은 120톤으로 추정된다. 현재 70~99%의 순도를 지닌 제품이 농축산업의 사료 첨가제, 가죽 및 섬유, 염료, 고무 고분자, 기타 정밀화학 및 제약 분야의 원료로 사용된다. 2025년까지 매년 4%의 성장이 예상된다.

백진욱 박사 연구팀은 "기술 상용화가 완료돼 연간 4만톤의 포름산 생산시 1만6000톤의 이산화탄소 순 감축효과가 기대된다"면서 "포름산은 각종 화학산업의 첨가제, 살충제의 원료, 연료전지의 연료로 유용하게 사용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 '차세대 탄소자원화 연구단(단장 전기원 박사)'의 지원으로 진행됐다. 결과는 2020년 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈지에 편집자 선정 성과로 게재됐다.