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 | ||
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 | ||
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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