줄이기 힘든 온실가스, 연료로 전환하는 기술 개발

DGIST, 기후변화·에너지 고갈 해결할 고효율 광촉매 개발

DGIST(총장 이건우)는 29일 기후변화의 주범인 이산화탄소(CO2)를 천연가스로 전환해 기후변화 대응과 에너지 고갈 문제를 동시에 해결할 수 있는 고효율 광촉매를 에너지공학과 인수일 교수팀이 개발했다고 밝혔다.

DGIST 에너지공학과 인수일 교수팀이 연구내용에 대해 논의하고 있다. 사진=DGIST

지구 온난화 현상으로 인해 세계 곳곳에 발생하는 이상 기후는 인류 생존을 위협하고 있다. 해답은 온실가스 감축이라는 것을 알고 있지만, 실천이 어렵다. 과학적인 접근이 중요한 이유다.

과학계에서는 온실가스 감소를 위해 대기 중의 이산화탄소를 다른 형태의 물질로 변환시키는 방법을 연구해왔다. 이때 사용하는 것이 광촉매 기술이다. 광촉매 기술은 이산화탄소를 유용한 물질로 변환시키는 친환경 미래기술이다. 태양광 에너지와 물만 활용해 이산화탄소를 천연가스로 탈바꿈시키면 가스 냉·난방, 천연가스 차량의 연료로서 우리 일상에 유용하게 사용될 수 있기 때문이다.

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.

기존 연구들은 이산화탄소를 고부가가치의 가스로 전환하는 효율을 높이기 위해 결정성 표면을 가진 광촉매 물질을 사용했다. 반면에 이번 연구는 비정질의 표면을 가진 광촉매 물질을 통해 결정질일 때보다 더 높은 효율의 이산화탄소 환원반응을 이끌어낸 점이 두드러진다.

향상된 촉매 반응 외에도 이산화탄소가 탄소화합물, 특히 메탄연료로 전환되는 과정이 보다 쉽게 이루어졌다. 고온에서의 재생 공정이 필요한 일반적인 광촉매와 달리, 비정질 촉매는 가열 없이 반응기에 산소를 공급하면 1분 내로 재생할 수 있는 장점을 갖고 있다.

연구팀이 합성한 결정질 구조와 비정질 구조의 TiO2/CdSe 광촉매의 전자현미경 사진. 사진=DGIST

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 밝혔다.

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.

백종민 기자 cinqange@asiae.co.kr