이산화탄소로 메탄·에탄 만든다

IBS 현택환-DGIST 인수일-KAIST 김형준
이산화티타늄 나노입자에 구리원자 붙여 촉매 제작
기존 촉매보다 메탄·에탄 전환효율 60배 이상 향상

연구진이 이산화티타늄 나노입자에 구리원자를 붙였다. 이 촉매를 물에 넣고 이산화탄소를 주입한 뒤 빛을 쪼여주면 메탄과 에탄이 만들어진다. IBS 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 이산화탄소를 메탄, 에탄과 같은 탄화수소 연료로 만들 수 있는 새로운 촉매를 개발했다. 이 촉매는 기존 이산화티타늄 광촉매에 비해 66배 높아진 효율로 이산화탄소를 메탄, 에탄으로 만들었다.

기초과학연구원(IBS) 현택환 나노입자 연구단장팀은 인수일 대구경북과학기술원(DGIST) 교수팀, 김형준 한국과학기술원(KAIST) 교수팀과 함께 이산화탄소를 메탄·에탄으로 만드는 광촉매를 개발했다.

인수일 DGIST 교수는 9일 "이번 연구를 통해 이산화티타늄 광촉매뿐만 아니라 다른 광촉매 성능을 향상시키는 데에도 적용할 수 있다"고 설명했다.

우선 연구진은 안정화된 구리 원자와 이산화티타늄 광촉매 사이에서 일어나는 상호작용에 주목했다.

금속-지지체 상호작용은 지지체와 그 위에 올려진 금속촉매 사이에서 일어나는 화학작용을 말한다. 촉매의 활성을 높이기 위한 필수 요소지만, 원자 단위의 정밀한 조정이 어렵다.

그결과 금속-지지체 상호작용을 원자 단위에서 조절하면 이산화탄소가 효과적으로 전환되는 부분이 생긴다는 사실을 발견했다. 즉 구리원자가 이산화티타늄으로부터 전자를 받아 이산화탄소에 넘겨줌으로써 태양빛과 물만으로 이산화탄소를 화학연료인 탄화수소로 만든 것이다. 연구진은 이를 기반으로 단원자 구리-이산화티타늄 촉매를 만들었다.

인수일 교수는 "이산화탄소 광전환 메커니즘을 다양한 광합성 촉매에 적용하기 위한 후속 연구를 진행할 예정"이라고 설명했다.

IBS 연구진은 이에 앞서 2019년 광촉매인 이산화티타늄 나노입자 위에 구리 원자를 올린 단원자 구리·이산화티타늄 촉매를 개발해 햇빛과 물로 수소를 만드는데 성공했다. 이때 개발한 촉매는 값비싼 귀금속을 사용하지 않고도 촉매 성능을 수십 배 이상 향상시켜 주목을 받았다.

이번에는 이 촉매를 활용해 태양광과 물만 이용해 이산화탄소를 화학연료로 만드는 촉매 개발에 성공한 것이다.

현택환 단장은 "추가 연구를 진행한다면 광촉매를 이용해 이산화탄소를 에탄올, 프로판올 등 더 고부가가치의 화학물질로 전환시키는 것도 가능할 것"이라고 말했다.

연구결과는 에너지 환경과학 분야 학술지인 '에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자