연구팀이 개발한 환원된 이산화티타늄-산화구리 광촉매 반응 모식도. [DGIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지공학전공 인수일 교수 연구팀이 이산화탄소를 메탄으로 전환해 에너지원으로 사용할 수 있는 환원된 이산화티타늄-산화구리 광촉매를 개발했다고 19일 밝혔다. 이번 연구는 이산화탄소 저감을 통한 기후변화 대응과 대체에너지 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

지난 5월 하와이 마우나로아 관측소에서 측정한 대기 중 이산화탄소의 농도는 471.1ppm으로 역대 최고 수치를 기록했다. 대기 중 이산화탄소는 이상기후를 일으키는 지구온난화의 가장 큰 원인이며, 주로 화석연료의 사용을 통해 대기 중으로 배출된다. 이를 해결하기 위해 이산화탄소를 에너지원으로 전환하기 위한 연구가 세계적으로 진행되고 있다.

이 중 인공광합성을 통해 에너지로 전환하는 광촉매 연구가 가장 주목받고 있다. 하지만 가장 일반적으로 연구되고 사용되는 이산화티타늄 광촉매는 큰 에너지 영역인 자외선만을 흡수하는 촉매 활성을 보이는 등 제약 조건이 많다. 이에 자연광에서 인공광합성 효율을 높이기 위한 촉매 성능이 매우 중요해 이에 대한 더 많은 연구가 필요한 실정이다.

인수일 교수 연구팀은 자외선 뿐만 아니라 가시광 흡수가 우수한 환원된 이산화티타늄 주촉매

와 산화구리 조촉매를 사용해 고안정성의 광촉매를 개발했다. 식물의 광합성 작용을 모사해 개발한 이번 광촉매는 산화구리 조촉매와 환원된 이산화티타늄 주촉매의 이형 구조 밴드 갭 구조로 설계했다. 조촉매로 사용된 산화구리는 이산화탄소 환원 반응에 더 많은 전자를 이동시켜 에너지 전환율을 더욱 높일 수 있었다. 이는 기존의 이산화티타늄 광촉매에 비해 자외선 뿐만 아니라 가시광선 영역의 빛을 흡수해 더 많은 태양광을 흡수할 수 있는 장점이 있다.

연구팀은 실험을 통해 희석된 이산화탄소 조건에서 연구팀의 산화구리-이산화티타늄 촉매가 기존 환원 이산화티타늄 촉매보다 10배 더 많은 양의 메탄을 생성하는 것을 확인했다. 또한 안정성 측정을 위해 특정 기체상 화합물의 함량 측정기인 가스 크로마토그래피 분석으로 42시간의 장기 운전에서도 우수한 안정성을 보임을 확인했다.

42시간 장기 운전 실험 데이터 그래프.[DGIST 제공]

인수일 교수는 “이번 연구는 지구상에 풍부한 구리 금속을 이용한 조촉매를 사용해 낮은 가격에 높은 안정성을 확보했다는데 큰 의의가 있다”라며 “인류의 생존을 위협하는 기후변화에 대응하기 위해 후속 연구를 진행하겠다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 촉매분야 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ 7월 16일 온라인 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com