이산화탄소 처리 및 저감 문제 해결할 대안 기술 탄생하다!

신기술 개발 통한 경제 및 환경문제 시너지 효과
매년 우리나라에서는 6억톤의 이산화탄소가 발생하고 세계적으로는 250억톤에 이른다. 이산화탄소를 메탄올로 변환할 수 있다면 1톤당 약 40만원에 판매가 가능해지고, 운반의 문제를 해결할 수 있다.
경제 및 환경문제에서도 효과가 클 것으로 예상되기 때문에 과학계 및 관련 산업계는 이산화탄소를 메탄올로 변환하기 위한 노력을 기울이고 있다.
식물의 광합성 효과를 모방한 인공광합성 기술은 태양에너지만으로 메탄올과 같은 고에너지 밀도의 화학물질을 제조할 수 있다. 이 반응을 이끌어내기 위해서는 백금, 금, 루테늄과 같은 금속 광물이 필요하다.

	▲ 좌측부터 KAIST 강정구 교수, 김용훈 교수

하지만 낮은 에너지 변환 효율 문제가 개선되지 않아 광촉매 물질의 보호막 정도로만 사용되고 있다. 에너지 효율이 낮은 이유는 태양에너지의 극히 일부만 활용 가능해 전자 전달 능력이 낮기 때문이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 콜드 플라즈마 반응을 기반으로 한 기술을 이용했다. 기존 산화물 공정은 한 물질에 질소와 수소 처리를 동시에 구현하는 것이 불가능했지만, 기체 콜드 플라즈마 기술을 이용하면 상온에서도 고 반응성의 수소 및 질소 라디칼을 형성할 수 있다. 이를 통해 순간적 반응만으로 금속 산화물 내부에 질소 및 수소를 주입하는 데 성공했다.
이 기술로 자외선(UV) 영역에 국한되는 이산화티타늄의 빛 감지 범위를 가시광선 영역까지 확대시켰고, 전자 전달 능력을 1만배 증가시킴으로써 귀금속 광물 없이도 이산화탄소를 메탄올로 변환시킬 수 있었다.

	▲ 가시광에서 연료변환이 가능하도록 만든 코어-쉘 촉매

또한, 인공광합성 반응이 잘 일어나도록 도와주는 별도 화학첨가제나 전기적 에너지 없이도 반응을 가시광 범위까지 이끌어냈다.
이산화티타늄 광촉매는 해당 물질이 갖는 이론 한계치의 74%에 달하는 광전류를 발생시켰고, 이산화탄소를 이용한 메탄올 발생량이 25배 이상 향상됐다. 연구팀은 슈퍼 컴퓨터를 이용한 원자 수준 모델링을 통해 수많은 변수를 측정함으로써 촉매 반응 향상의 원리를 이론적으로 규명했다. 강 교수는 “이 기술을 기반으로 향후 산업체에서 대량 생산할 수 있도록 기술을 발전시키는 것이 목표”라고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 인공광합성사업과 KISTI의 슈퍼컴퓨터 사이버 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 인공광합성사업과 KISTI의 슈퍼컴퓨터사업의 지원을 받아 수행됐다.

SOLAR TODAY 이 서 윤 기자(st@infothe.com)

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