DGIST, 태양으로 이산화탄소→메탄 연료 전환 ‘고효율 광촉매 개발’

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 인수일 교수 연구팀이 태양 빛을 이용하여 지구온난화 주범인 이산화탄소(CO2)를 메탄(CH4) 연료로 전환하는 고효율 광촉매를 개발했다. 연구팀은 이번에 개발한 친환경 기술이 탄소 포집 및 활용(Carbon Capture and Utilization, 이하 ‘CCU’) 기술에 응용할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

미국 대학 연구진에 따르면, 현재 대기 중 이산화탄소 농도는 1400만 년 만에 최고치인 420ppm에 도달한 것으로 관측했으며, 세계기상기구(WMO)는 엘니뇨의 영향으로 2024년이 작년보다 뜨거운 해가 될 것으로 보고 있다.

세계경제포럼(WEF)은 경제·사회·기술·지정학 등 부분에서 전 세계가 직면한 34개 위기 중에 기상 이변이 자원 고갈로 인한 국가 간 무력 충돌, 양극화 문제가 발생할 수 있는 가장 큰 글로벌 위험으로 선정했다. 따라서 기상 이변으로 발생하는 위기를 극복하기 위해서는 대기 중 이산화탄소 농도를 감축하는 것이 필연적이다.

이에 이산화탄소를 감축하면서 유용한 연료로 전환할 수 있는 친환경 기술인 광촉매에 대한 연구가 이루어지고 있다. 광촉매는 태양 빛을 제외한 전기와 같은 에너지를 외부에서 추가로 공급하지 않아도 되고 시스템이 단순해서 미래 유망 CCU 기술로 주목받고 있다.

하지만 현재까지 개발된 대부분의 광촉매는 원자가 규칙적으로 배열된 결정 구조(Crystal structure)로 이뤄져 있기에 구조를 유지하면서 촉매 내 다양한 활성점을 설계하기 위해서는 배열을 준수하기 위한 구성 원소의 조성 조건 등이 발생해 많은 제약이 존재했다.

이에 DGIST 인수일 교수 연구팀은 다양한 활성점을 포함하고 전자 전달 성능을 개선한 고효율 광촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 광촉매는 ‘이산화탄소 흡착 및 활성화할 수 있는 Ti3+ 활성점’과 ‘물을 분해하여 양성자를 공급할 수 있는 In3+ 활성점’을 포함하고 있는 ‘비정질 구조의 In2TiO5 광촉매’를 제작하고, 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe2) 나노레이어에 담지하여 전자 전달 성능을 개선했다. 연구팀은 구조 분석을 통해 신규 개발한 광촉매가 기존에 상용화된 TiO2 광촉매보다 메탄 전환량이 51배 더 많은 것으로 확인했다.

DGIST 인수일 교수는 “이번 연구를 통해 이중 활성점을 보유한 고효율 광촉매 기술이 개발됐다는 것에 큰 의의가 있다”며 “향후 기술 상용화를 위해 비정질 광촉매의 에너지 손실 개선 및 안정성 향상 관련 후속 연구를 하겠다”고 전했다.

이번 연구 결과는 에너지·환경 분야의 저명한 국제학술지 ‘Chemical engineering journal’(IF 15.1)에 온라인 게재됐다.