온실가스 감축을 위한 탄소중립 정책이 세계적으로 본격화되는 가운데, 국내 연구진이 별도의 화합물 첨가 없이 물과 빛만으로 이산화탄소를 유용한 연료로 전환할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 현택환 나노입자 연구단장(서울대 석좌교수) 연구팀은 인수일 DGIST 교수팀, 김형준 KAIST 교수팀과 공동으로 이산화탄소를 메탄․에탄 같은 유용한 탄화수소 에너지로 전환하는 광촉매를 개발하고, 그 작동 원리를 규명했다.

광촉매(photocatalyst)는 태양광 에너지를 화학연료로 직접 전환할 수 있는 친환경 시스템이다. IBS 나노입자 연구단은 선행 연구에서 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 위에 구리 원자를 올린 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 개발하고, 태양광과 물로 수소를 생산하는 데 성공한 바 있다(Nature Materials, 2019). 당시 개발된 촉매는 값비싼 귀금속을 사용하지 않고도, 촉매의 성능을 수십 배 이상 향상시켜 주목을 받았다.

이번 연구에서는 더 나아가 단원자 구리/이산화티타늄 광촉매가 이산화탄소와 원자 단위에서 상호작용하는 메커니즘을 규명하고, 이를 바탕으로 태양광과 물만 이용하여 이산화탄소를 화학연료로 전환시키는 촉매 개발에 성공했다.

우선 연구진은 안정화된 구리 원자와 이산화티타늄 광촉매 사이에서 일어나는 금속-지지체 상호작용(Metal-Support Interaction)에 주목했다. 금속-지지체 상호작용은 지지체와 그 위에 올려진 금속촉매 사이에서 일어나는 화학작용을 말한다. 촉매의 활성을 높이기 위한 필수 요소지만, 원자 단위의 정밀한 조정이 어려웠다.

연구진은 금속-지지체 상호작용을 원자 단위에서 조절하면 이산화탄소가 효과적으로 전환될 수 있는 활성점(active site)이 생긴다는 사실을 발견하고, 이에 기반하여 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 설계했다. 이렇게 최적화된 광촉매는 기존 이산화티타늄 광촉매에 비해 60배 이상 높아진 효율로 이산화탄소를 메탄, 에탄과 같은 탄화수소 연료로 전환시킬 수 있었다.

공동교신저자인 인수일 DGIST 교수는 “이번 연구의 결과는 이산화티타늄 광촉매뿐만 아니라 다른 여러 종류의 광촉매의 성능을 향상시키는 데 전반적으로 적용할 수 있다”며 “이산화탄소 광전환 메커니즘을 다양한 광합성 촉매에 적용하기 위한 후속 연구를 진행할 예정”이라고 설명했다.

현택환 단장은 “탄소중립 사회를 위해서는 탄소 사용을 줄이는 동시에 배출된 이산화탄소를 다시 화학연료로 바꾸는 과정이 필요하다”며 “추가 연구를 진행한다면 광촉매를 이용해 이산화탄소를 에탄올, 프로판올 등 더 고부가가치의 화학물질로 전환시키는 것도 가능할 것”이라고 말했다.

연구결과는 에너지 환경과학 분야 세계적 권위지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science, IF 38.532)’ 9월 20일자(한국시간) 온라인 판에 게재됐다.

그림설명

[그림1] 태양빛과 물만으로 이산화탄소를 탄화수소로 전환시키는 이산화티타늄 촉매 메커니즘

이산화티타늄 광촉매에 구리원자를 단일 원자 상태로 안정화시키면 구리원자가 이산화티타늄과 상호작용하여 이산화탄소가 효과적으로 반응할 수 있는 활성점(active site)을 만들게 된다. 또한 구리원자는 이산화티타늄으로부터 광여기 전자(photoexcited electron)를 받아 이산화탄소에 넘겨줌으로써 태양빛과 물만으로 이산화탄소를 화학연료인 탄화수소로 전환시킬 수 있다.