태양광 적색 빛 이용해 이산화탄소 연료화 한다.

[Industry News 최홍식 기자] 현재까지 이산화탄소 처리 기술은 고가의 전기·열에너지를 투입해 이산화탄소를 분해하는 수준에 불과해 광범위하게 활용되기 어렵다. 인공광합성을 통한 이산화탄소 전환 연구 역시 촉매 효율이 낮고 전환반응이 불안정하다는 한계가 있었다.

고려대 연구진 태양광 활용 이산화탄소 연료전환 기술 개발

이러한 가운데 한국연구재단은 최근 고려대학교 손호진 교수 연구팀이 ‘태양광 에너지 중에서 적색 빛을 이용해 이산화탄소를 합성연료로 전환시킬 수 있는 기술’을 개발해냈다고 밝혔다.

연구팀은 고효율 태양광 포집기술을 적용해 이산화탄소 전환용 광촉매를 개발했다. 이를 통해 이산화탄소가 일산화탄소 중간물질로 전환돼 사용가능한 합성연료로 바뀐다.

손호진 교수 연구팀은 자연에서 식물이 광합성 할 때 빛을 포집하는 클로로필과 유사한 포피린 염료를 연구에 활용했다. 포피린은 식물의 엽록소에서 발견되는 화합물로 태양전지 등 다양한 분야에 활용되고 있다.

연구팀은 이번 연구에서 태양광에 장시간 노출되면 쉽게 분해되는 포피린의 특성에 산화물반도체를 결합시켜 광안정성을 획기적으로 개선시켰다. 포피린만으로 구성된 광촉매보다 전환효율이 10~20배 향상되고, 4일 이상 장기 연속 공정에서도 촉매반응이 지속되는 것을 확인했다.

특히 포피린은 가시광선 중에서도 파장이 길고 에너지가 낮은 적색 빛도 잘 흡수할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 그 동안 태양광발전에서는 적색빛이 사용되지 않고 버려졌는데 이번 연구 성과를 통해 적색빛으로 광에너지를 포집함으로서 안정적으로 이산화탄소 환원반응을 유도할 수 있게 됐으며, 고효율 장수명 이산화탄소 광촉매를 구현했다.

이산화탄소 연료전환의 구체적 방법 제시

앞서 언급했듯이 손호진 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 낮은 에너지인 적색 영역대의 빛을 효과적으로 흡수할 수 있는 포피린 염료와 이산화탄소를 선택적으로 전환시키는 촉매를 동시에 이산화티탄 무기반도체에 화학적으로 담지화 함으로써 이산환탄소를 직접 일산화탄소로 전환시키는 기술을 개발했다.

이산화탄소를 선택적으로 전환시키는 촉매로 활용된 삼성분계(sensitizer/TiO2/catalyst) 광촉매는 기존 균일게 포피린 기반 광촉매 시스템과 비교해 높은 촉매활성과 함께 동시에 높은 내구성을 보여줬다.

이는 포피린 염료의 화학적 담지화를 통한 광안정성 확보, 이산화티탄 무기반도체로 인한 광유발 전자의 효과적인 포집 및 전달, 낮은 에너지인 적색 영역대 빛 아래에서 광촉매의 효과적인 구동에서 기인하는 것이다.

개발된 광촉매는 550㎚이상의 낮은 에너지 빛을 제공할 때 100시간 이상의 반응조건에서도 안정된 촉매의 활성을 보여줬으며, COOH 화학적 결합을 통해서 제작된 광촉매의 경우, 1000이상의 TON값을 보였다.

탄소재활용 통해 지구온난화 문제 해결에 기여할 것

이번 손호진 교수 연구팀의 연구개발 성과는 ‘이산화탄소전환’ 기술을 이용해 탄소재활용을 더욱 확산 시킬 수 있는 환경기술이라고 할 수 있다. 현재 범지구적인 문제가 되고 있는 이산화탄소에 의한 지구온난화 등의 환경재해를 근본적으로 해결할 수 있는 기술이다.

포피린 기반 하이브리드 광촉매 시스템을 통해 생산된 일산화탄소는 이미 생산된 수소와 함께 합성연료로 전환되어 GTL(Gas To Liquid) 기술 중 하나인 피셔-트롭쉬 합성반응을 통해 가솔린 및 디젤등의 고부가 가치의 액체연료로 생산될 수 있으며, 이는 석유 자원의 고갈 및 지구온난화의 문제를 해결할 수 있는 기술이 될 것으로 기대된다.

연구를 진행한 고려대학교 손호진 교수는 “향후 개발될 광촉매는 대용량 이산화탄소 전환에 적용 가능해 기후변화대응 관련 환경산업 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다.

이번 연구 성과는 교육부와 한국연구재단의 대학중점연구소지원사업, 이공학개인기초연구지원사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단의 기후변화 대응기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 화학분야 국제학술지인 에이시에스 카탈리시스(ACS Catalysis) 1월 9일자에 게재됐다.

한편, 본 연구의 책임자인 고려대학교 손호진 교수는 지난 2014년부터 이산화탄소 환원을 위한 인공광합성분야 연구를 꾸준히 진행해왔다. 2014년부터 4년간 유기-무기 하이브리드 소재기반의 반도체 소재에 대한 축적된 기술을 바탕으로 광흡수체 및 이산화탄소 전환 촉매에 대한 소재합성 기술 및 분석 지식을 확보하고 이를 하나로 통합하고 최적화하는 기술을 성공적으로 개발했다. 개발된 하이브리드 광촉매 기술을 바탕으로 이번 연구에서는 낮은 에너지인 적색 빛 아래에서 효과적으로 이산화탄소를 전환시켰으며, 세계 최고 효율과 함께 높은 내구성을 보여줬다.

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