DGIST, 이산화탄소 천연가스로 전환하는 고효율 광촉매 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 인수일 교수팀이 기후변화의 주범인 이산화탄소(CO2)를 천연가스(메탄, CH4)로 전환하는 고효율 광촉매를 개발했다. 

지구 온난화 현상으로 인해 세계 곳곳에 이상 기후가 발생하면서 인류 생존을 위협하고 있다. 피해 규모가 점점 커지는 지구 온난화와 이상 기후 문제를 해결하기 위해서는 온실가스의 감축이 중요하며, 이를 위해서는 대기 중의 이산화탄소를 다른 형태의 물질로 변환해야 한다.

광촉매 기술은 이산화탄소를 유용한 물질로 변환시키는 친환경 미래기술로, 태양광 에너지와 물만 활용해 이산화탄소를 천연가스로 전환할 수 있으며, 전환된 천연가스는 가스 냉·난방, 천연가스 차량의 연료로서 우리 일상에 유용하게 사용 가능하다.

이에 연구팀은 이산화탄소를 천연자원으로 전환하면서 동시에 효율도 높일 수 있도록 가시광과 적외선을 잘 흡수할 수 있는 ‘카드뮴 셀레나이드’와 광촉매 재료로 잘 알려진 금속산화물인 ‘이산화티타늄’을 결합하는 방법을 고안했다. 

기존의 경우 분석을 쉽게 하기 위해 격자 구조의 주기성을 가지고 있는 ‘결정질’ 이산화티타늄을 활용했다. 그러나 규칙적인 입자 배열로 인해 타이타늄 3가 양이온(Ti3+) 활성점의 형성하는데 한계가 있었다. 이에 인수일 교수팀은 격자 구조의 주기성이 결여된 불규칙한 입자배열로 타이타늄 3가 양이온(Ti3+) 활성점을 더 많이 형성할 수 있는 ‘비정질’의 이산화티타늄을 활용해 촉매 반응을 향상시켰다. 

향상된 촉매 반응 외에도 전하의 안정적 전달이 촉진되어 반응에 참여할 수 있는 전자가 충분히 공급됨으로써 이산화탄소가 탄소화합물, 메탄연료로 전환되는 과정이 보다 쉽게 이뤄졌다. 또 고온에서의 재생 공정이 필요한 일반적인 광촉매와 달리, 비정질 촉매는 가열없이 반응기에 산소를 공급하면 1분 내로 재생할 수 있는 장점을 갖고 있다.

연구팀이 새로 개발한 ‘비정질 구조의 이산화티타늄-카드뮴 셀레나이드 광촉매(TiO2-CdSe)’는 18시간 광반응 이후 초기 6시간 동안 메탄 전환 성능을 99.3% 유지했으며, 이는 동일한 조성의 ‘결정질 광촉매 (C-TiO2-CdSe)’ 대비 재생력이 4.22배 높은 수준이다.

DGIST 인수일 교수는 “이번 연구는 재생력이 있는 활성점을 보유한 촉매를 개발하고, 계산화학 연구를 통해 이산화탄소가 비정질 촉매에서 메탄으로 전환되는 메커니즘을 규명했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “향후 기술 상용화를 위해 비정질 광촉매의 에너지 손실 개선 및 장기 안정성 향상 관련 후속 연구를 수행하겠다”고 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 ‘중견연구사업’과 ‘한중 협력사업’의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지·환경 분야의 저명한 국제학술지 Applied Catalysis B: Environment and Energy(IF: 22.1)에 게재됐다.