이산화탄소로 연료 만든다, IBS 연구진 광촉매 기술 개발

태양광과 물만으로 이산화탄소를 에탄이나 메탄으로 전환하는 광촉매 작동 원리[사진=기초과학연구원]

탄소중립이 세계적 이슈가 된 가운데, 국내 연구진이 물과 빛만으로 이산화탄소를 연료로 전환하는 촉매를 개발했다.

현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단장 연구팀은 인수일 DGIST 교수팀, 김형준 KAIST 교수팀과 공동으로 이산화탄소를 메탄·에탄 등 유용한 에너지로 전환하는 광촉매를 개발하고, 작동 원리를 규명했다.

광촉매는 태양광 에너지를 화학연료로 직접 전환할 수 있는 친환경 시스템이다. IBS 나노입자 연구단은 선행 연구에서 구리·이산화티타늄 촉매를 개발하고, 태양광과 물로 수소를 생산한 바 있다. 당시 개발된 촉매는 귀금속을 사용하지 않고도 성능을 수십 배 이상 향상시켜 주목 받았다는 설명이다.

이번 연구에서는 한 걸음 더 나아가 단원자 구리·이산화티타늄 광촉매가 이산화탄소와 원자 단위에서 상호작용하는 방식을 규명하고, 이를 바탕으로 태양광과 물만 이용해 이산화탄소를 화학연료로 전환시키는 촉매 개발에 성공했다.

연구진은 안정화된 구리 원자와 이산화티타늄 광촉매 사이에서 일어나는 화학작용에 주목했다. 이를 원자 단위에서 조절하면 이산화탄소가 효과적으로 전환될 수 있는 활성점(active site)이 생긴다는 사실을 발견했으며, 이를 기반으로 단원자 구리·이산화티타늄 촉매를 설계했다. 이렇게 최적화된 광촉매는 기존 이산화티타늄 광촉매에 비해 60배 이상 높아진 효율로 이산화탄소를 메탄, 에탄과 같은 탄화수소 연료로 전환했다.

공동교신저자인 인수일 DGIST 교수는 "이번 연구의 결과는 이산화티타늄 광촉매뿐만 아니라 다른 여러 종류의 광촉매의 성능을 향상시키는 데 전반적으로 적용할 수 있다"며 "이산화탄소 광전환 메커니즘을 다양한 광합성 촉매에 적용하기 위한 후속 연구를 진행할 예정"이라고 설명했다.

현택환 단장은 "탄소중립 사회를 위해서는 탄소 사용을 줄이는 동시에 배출된 이산화탄소를 다시 화학연료로 바꾸는 과정이 필요하다"며 "추가 연구를 진행한다면 광촉매를 이용해 이산화탄소를 에탄올, 프로판올 등 더 고부가가치의 화학물질로 전환시키는 것도 가능할 것"이라고 말했다.