DGIST, 이산화탄소 메탄·에탄으로 선택 전환하는 광촉매 개발

[이데일리 이연호 기자] DGIST는 에너지공학전공 인수일 교수 연구팀이 이산화탄소를 메탄이나 에탄처럼 활용 가능한 에너지로 선택해 전환할 수 있는 광촉매를 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다.

연구팀이 개발한 그래핀을 씌운 이산화티타늄 광촉매의 특징을 나타낸 모식도. 그림=DGIST. (a) 시중에서 판매하는 이산화티타늄(P25)의 이산화탄소 전환 메커니즘. (b) 이전 연구에서 합성했던 블루 이산화티타늄(Pt-Blue Titania)의 이산화탄소 전환 메커니즘. (c) 이번 연구를 통해 연구팀이 개발한 광촉매의 합성 물질에 따라 보이는 메탄, 에탄의 선택적 전환에 대한 메커니즘.

이산화탄소 배출량 증가로 지구 온도가 상승하며 지구온난화의 주범인 이산화탄소 감소에 대한 관심이 증가하고 있다. 또 에너지 고갈로 인한 기존 자원의 사용 가능한 연료로의 전환 역시 주목받고 있다. 범국가적 환경 문제를 해결하기 위해 이산화탄소와 물을 탄화수소계 연료로 전환하는데 필수인 광촉매에 관한 연구가 각광받고 있다.

광촉매 연구에서 주로 밴드갭이 큰 반도체 물질을 많이 사용하고 있으나 다양한 영역의 태양에너지를 흡수하는데 제한적이다. 따라서 태양에너지 흡수 영역을 증가시키기 위한 광촉매 구조 및 표면을 개선하거나 전자의 전달이 우수한 2차원 소재를 활용하는 광촉매 연구가 진행 중이다.

인수일 교수 연구팀은 안정적이고 효율적인 방법으로 환원된 이산화티타늄에 그래핀을 씌워 이산화탄소를 메탄(CH4)이나 에탄(C2H6)으로 전환할 수 있는 고효율 광촉매를 개발했다.

연구팀이 개발한 광촉매는 기체상에서 이산화탄소를 선택적으로 메탄과 에탄으로 전환할 수 있다. 메탄 및 에탄 생성량이 각각 259umol/g, 77umol/g을 나타내며 기존의 환원된 이산화티타늄 광촉매 보다 5.2%, 2.7% 높아진 전환율을 나타냈다. 에탄 생성량의 경우 비슷한 실험 조건에서 세계 최고 효율을 나타냈다.

또 연구팀은 영국 임페리얼칼리지런던(ICL) 화학과 제임스 듀란트(James R. Durrant) 교수 연구팀과의 광전자분광학을 이용한 국제 공동연구를 통해 이산화티타늄과 그래핀 계면에서 보이는 밴드 굽힘 현상으로 인해 정공이 그래핀으로 움직인다는 사실을 최초로 증명했다.

그래핀 쪽으로의 정공 이동은 전자들이 환원된 이산화티타늄 표면에 모여 있게 돼 반응을 활성화시키며 다전자가 반응에 참여해 다량의 라디칼 메탄(CH3)을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 라디칼 메탄이 수소 이온과 반응할 경우 메탄이 생성되고 라디칼 메탄끼리 서로 반응할 경우 에탄이 생성된다는 메커니즘을 규명했다.

연구팀이 개발한 촉매 물질은 태양광을 이용해 선택적으로 더 높은 차수의 탄화수소계 물질을 생성함으로써 향후 고부가가치 물질 생산 등 다양한 분야에 응용이 가능하다. 지구온난화 문제 및 에너지자원 고갈 문제 해결에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

DGIST 에너지공학전공 인수일 교수는 “이번에 개발한 그래핀을 씌운 환원된 이산화티타늄 광촉매는 이산화탄소를 메탄이나 에탄과 같은 활용가능한 화학 물질로 선택적으로 생산할 수 있다는 장점이 있다”며 “상용화가 가능할 정도로 전환율을 높이는 후속 연구를 진행해 이산화탄소 저감 및 자원화 기술 발전에 기여하겠다”고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지&인바이러멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 지난달 19일자 온라인판에 게재됐다.