태양 빛으로 인공 광합성, 이산화탄소→메탄 만든다

[아이뉴스24 정종오 기자] 태양 빛을 이용해 이산화탄소를 연료로 만드는 ‘인공 광합성’ 촉매가 나왔다. 온실가스를 줄일 수 있고 고효율 연료인 메탄을 만들 수 있어 주목된다.

대구경북과학기술원(DGIST, 총장 이건우) 에너지공학과 인수일 교수 연구팀이 미국 캘리포니아 공과대(Caltech) 윌리엄 고다드(William A. Goddard III) 교수 연구팀과 공동으로 태양광을 이용해 이산화탄소를 고부가가치 연료인 ‘메탄’으로 전환할 수 있는 고효율 광촉매를 개발하고 그 작동 원리를 규명했다.

이산화탄소는 대표적 온실가스로 기후변화의 주요 원인으로 지적되고 있다. 이를 효과적으로 줄이는 기술 개발은 전 세계적으로 중요한 과제로 꼽힌다. 연구팀이 주목한 ‘광촉매’ 기술은 태양광 에너지를 이용해 이산화탄소를 연료로 바꾸는 일종의 ‘인공 광합성’ 기술이다.

탄소 중립 실현과 친환경 에너지 생산에 이바지할 수 있어 많은 관심을 받아 왔다.

연구팀은 가시광선과 근적외선을 잘 흡수하는 ‘황화은(Ag₂S)’과 광촉매 소재로 널리 사용되는 ‘이산화티타늄(TiO₂)’을 결합해 전자가 자연계의 광합성과 비슷한 경로(Z-스킴)를 통해 효과적으로 이동할 수 있도록 하는 새로운 구조를 고안했다. 이를 통해 빛 에너지의 활용 효율이 크게 향상됐다.

기존 연구에서는 소재가 지나치게 규칙적 결정질 상태에 머물러 이산화탄소가 실제로 반응할 수 있는 ‘활성점’이 부족하다는 한계가 있었다.

DGIST-Caltech 공동연구팀은 소재 내부에 의도적으로 ‘결함’을 도입하는 전략을 택해 구조가 불규칙한 비정질(Amorphous) 이산화티타늄을 활용해 티타늄 3가(Ti³⁺) 활성점을 풍부하게 만들었다.

동시에 원자 비율이 완전히 일치하지 않도록 설계된 비화학량론적(Non-stoichiometric) 황화은 나노와이어를 결합함으로써 강한 내부 전기장을 형성, 전하 분리와 반응 효율을 획기적으로 높이는 데 성공했다.

그 결과 새로 개발된 광촉매는 집광형 반응기 환경에서 메탄 생산량이 30.31μmol/g에 도달했다. 이는 일반적 조건 대비 약 5배 향상된 성능이다. 이번 연구는 ‘결함’이 단순한 구조적 한계가 아니라 오히려 촉매 성능을 높이는 핵심 요소가 될 수 있음을 과학적으로 입증했다는 점에서 의의가 크다.

인수일 교수는 “이번 연구는 촉매의 효율을 결정짓는 ‘활성점’을 설계하고 제어할 수 있다는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “앞으로 이산화탄소를 가치 있는 연료로 전환하는 탄소 자원화 기술의 실용화를 앞당기는데 이바지할 것”이라고 말했다.

이어 “실험 연구와 양자역학 계산을 결합해 이산화탄소가 메탄으로 전환되는 과정을 원자 수준에서 규명했다는 점도 중요한 성과”라고 설명했다.

연구 결과(논문명: Defect-Driven Dynamics in Gas-Phase Photocatalytic CO2 Conversion to Solar Fuels Using Ti3+/Ti4+ Containing TiO2 and Nonstoichiometric Ag2S Nanowires)는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제 학술지 ‘ACS Catalysis’에 실렸다.