전남대연구팀, 태양빛만으로 CO2를 고효율 연료로 전환 기술 개발

기존 대비 2배 이상 높은 효율·무전원 작동 구현…탄소자원화 기술 한 단계 도약

강순형 교수(오른쪽 사진)의 인공광합성 기술 연구 모형도./사진제공=전남대학교

전남대학교 연구팀이 태양빛만으로 이산화탄소를 유용한 물질로 바꾸는 차세대 인공광합성 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

강순형 전남대 화학교육과 교수 연구팀은 포항가속기연구소·한양대와의 공동연구를 통해 '은(Ag) 단원자 촉매 기반 태양광 CO2 전환 시스템'을 개발했다. 기존 기술보다 효율과 안정성이 크게 향상돼 탄소중립 실현을 앞당길 핵심 기술로 주목받고 있다.

이 기술은 태양광 에너지만을 사용해 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 인공광합성형 장치로, 태양-연료 변환 효율 8.8%, 패러데이 효율 94%라는 세계 최고 수준의 성능을 입증했다. 이는 기존 전기화학식 CO2 전환 시스템보다 2배 이상 높은 효율이다.

핵심은 '은(Ag) 단원자 촉매'다. 연구팀은 은 단원자를 아연 인산염(Zn3(PO4)2) 나노입자에 균일하게 도입해 촉매의 전자 구조를 정밀하게 조절했다. 그 결과 CO2가 반응하는 과정이 훨씬 원활해져 반응 선택성과 효율이 크게 향상됐다. 여기에 GaAs 기반 광전극과 Pt 단원자 니켈산화물(NiOOH) 광양극을 결합해 외부 전기 공급 없이도 작동하는 '자가 구동형 태양연료 생산 시스템'까지 구축했다.

김병현 한양대 교수팀은 컴퓨터 시뮬레이션(DFT 계산)을 통해 이런 성능 향상이 일어나는 원리도 밝혔다. 은 단원자가 들어가면 촉매 내부의 전자 분포가 바뀌어 CO2가 붙고 떨어지는 과정이 더 쉽게 일어나며, 반응에 필요한 에너지(과전압 0.49V)가 크게 줄어든다는 것을 알아냈다.

강 교수는 "태양광만으로 이산화탄소를 다시 유용한 자원으로 바꾸는 핵심 기술을 제시한 연구다"며 "차세대 인공광합성 시스템의 실용화 가능성을 높인 의미 있는 성과"라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 대학중점연구소지원사업 및 중견연구의 지원을 받았으며, 에너지 분야 세계적 권위지 Advanced Energy Materials(IF 26, 상위 2.5%) 11월호에 게재됐다.

광주광역시=나요안 기자 lima68@mt.co.kr