환경오염 주범 '이산화탄소' 연료로 바꾸는 촉매 개발

이산화탄소에 신소재인 그래핀을 씌워 연료로 활용할 수 있게 하는 광촉매가 개발됐다. 이를 통해 지구온난화 등 환경 문제와 에너지 고갈 문제를 동시에 해결할 가능성이 열렸다.

대구경북과학기술원(DGIST)는 인수일 에너지공학 전공 교수 연구팀이 이산화탄소를 메탄이나 에탄처럼 활용 가능한 에너지로 선택해 전환할 수 있는 광촉매를 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다.

인수일 교수 연구팀은 안정적이고 효율적인 방법으로 환원된 이산화티타늄에 그래핀을 씌워 이산화탄소를 메탄이나 에탄으로 전환할 수 있는 고효율 광촉매를 개발했다.

연구팀이 개발한 광촉매는 기체상에서 이산화탄소를 메탄 또는 에탄으로 선택 전환할 수 있다. 메탄과 에탄 생성량은 각각 259umol/g, 77umol/g을 나타내 이전 이산화티타늄 광촉매 보다 5.2%, 2.7% 높아진 전환율을 나타냈다. 에탄 생성량의 경우 비슷한 실험 조건에서 세계 최고 효율을 나타냈다는 설명이다.

(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

연구팀은 영국 임페리얼칼리지런던 화학과 제임스 듀란트 교수 연구팀과의 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 활성화하며 다전자가 반응에 참여해 다량의 라디칼 메탄을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 라디칼 메탄이 수소 이온과 반응할 경우 메탄이 생성되고 라디칼 메탄끼리 서로 반응할 경우 에탄이 생성된다는 원리를 규명했다.

연구팀이 개발한 촉매 물질은 태양광을 이용해 선택적으로 더 높은 차수의 탄화수소계 물질을 생성함으로써 향후 고부가가치 물질 생산 등 다양한 분야에 응용이 가능할 전망이다.