DGIST 에너지공학과 인수일 교수 연구팀이 미국 캘리포니아 공과대학교(Caltech) 윌리엄 고다드 교수 연구팀과 공동으로 태양광을 이용해 이산화탄소를 고부가가치 연료인 메탄으로 전환할 수 있는 고효율 광촉매를 개발하고 작동 원리를 규명했다.
이산화탄소는 대표적인 온실가스로 기후변화의 주요 원인으로 지적되고 있으며, 이를 효과적으로 줄이는 기술 개발은 전 세계적인 과제로 꼽힌다. 연구팀이 주목한 광촉매 기술은 태양광 에너지를 이용해 이산화탄소를 연료로 바꾸는 인공 광합성 기술로, 탄소 중립 실현과 친환경 에너지 생산에 기여할 수 있는 분야다.
연구팀은 가시광선과 근적외선을 잘 흡수하는 황화은(Ag₂S)과 광촉매 소재로 널리 사용되는 이산화티타늄(TiO₂)을 결합해 전자가 자연계의 광합성과 유사한 Z-스킴 경로로 효과적으로 이동할 수 있는 구조를 고안했다. 이를 통해 빛 에너지 활용 효율이 크게 향상됐다.
기존 연구에서는 소재가 지나치게 규칙적인 결정질 구조에 머물러 이산화탄소가 실제 반응할 수 있는 활성점이 부족한 한계가 있었다. 이에 DGIST-Caltech 공동 연구팀은 소재 내부에 의도적으로 결함을 도입해 구조가 불규칙한 비정질 이산화티타늄을 적용해 티타늄 3가(Ti³⁺) 활성점을 풍부하게 만들었다. 동시에 비화학량론적 구조를 갖도록 설계된 황화은 나노와이어를 결합해 강한 내부 전기장을 형성하고 전하 분리와 반응 효율을 크게 향상시키는 데 성공했다.
그 결과 새로 개발된 광촉매는 집광형 반응기 환경에서 메탄 생산량이 30.31 μmol/g에 도달했으며, 이는 일반 조건 대비 약 5배 향상된 성능이다. 이번 연구는 결함이 단순한 약점이 아니라 촉매 성능을 높이는 핵심 요소가 될 수 있음을 과학적으로 입증했다는 점에서 의미가 크다.
인수일 교수는 “이번 연구는 촉매의 효율을 결정짓는 활성점을 설계하고 제어할 수 있다는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 이산화탄소를 가치 있는 연료로 전환하는 탄소 자원화 기술의 실용화를 앞당기는 데 기여할 것”이라고 말했다. 또한 “실험 연구와 양자역학 계산을 결합해 이산화탄소가 메탄으로 전환되는 과정을 원자 수준에서 규명했다는 점도 중요한 성과”라고 설명했다.
이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업 지원으로 수행됐으며 연구결과는 ACS가 발행하는 국제 학술지 ACS Catalysis에 게재됐다.
헬로티 이창현 기자 |
