지구온난화의 주범인 이산화탄소를 에너지로 전환할 수 있는 광촉매가 개발됐다.

DIST는 이 대학 에너지공학전공 인수일 교수 연구팀이 이산화탄소를 메탄이나 에탄처럼 활용 가능한 에너지로 선택해 전환할 수 있는 광촉매를 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다.

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

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

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 가능하고, 지구온난화 문제 및 에너지자원 고갈 문제 해결에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

인 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.

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

대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr