“이산화탄소→메탄연료 전환” DGIST, 핵심 광촉매 기술 확보

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 기후변화 주범 이산화탄소를 미래 연료인 메탄으로 전환하는 핵심 광촉매 기술 확보에 성공했다.

DGIST(대구경북과학기술원) 에너지공학과 인수일 교수 연구팀은 미국 캘리포니아공과대학교(Caltech) 윌리엄 고다드 교수 연구팀과 공동으로, 서로 다른 역할을 하는 두 종류의 조촉매를 결합해 태양광으로 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 광촉매의 성능을 크게 높이고, 그 작동 원리를 규명했다.

이산화탄소는 기후변화를 일으키는 대표적 온실가스다. 최근 이산화탄소를 단순히 줄이는 데서 나아가, 연료나 화학 원료 등 유용한 자원으로 전환하는 기술이 주목받고 있다. 특히 광촉매 기술은 태양광을 에너지원으로 활용해 이산화탄소를 자원으로 바꿀 수 있어 많은 관심을 받고 있다. 하지만 기존 이산화탄소 광환원 촉매는 비효율적인 전하 이동과 느린 다전자 반응 속도로 활용이 제한적이었다.

연구팀은 대표적인 광촉매 소재인 이산화티타늄(TiO₂) 표면에 2차원 소재인 몰리브덴셀레나이드(MoSe₂)와 백금(Pt) 나노입자를 결합한 삼원계 구조의 ‘Pt/TiO₂-MoSe₂’ 광촉매를 개발했다. 두 조촉매가 서로 다른 역할을 수행하도록 설계해 빛으로 생성된 전자가 이산화탄소 환원 반응에 효율적으로 활용되도록 했다.

MoSe₂는 쉽게 뭉치거나 변형돼 안정적으로 유지하기 어렵다는 한계가 있다. 연구팀은 TiO₂와 MoSe₂가 맞닿는 계면을 정밀하게 설계해 TiO₂에서 MoSe₂로 전자가 지속적으로 전달되도록 했으며, 이를 통해 불안정한 1T-MoSe₂ 구조를 안정적으로 고정하고 촉매의 활성과 안정성을 높였다.

또한 백금 나노입자가 빛으로 생성된 전자를 빠르게 모아 환원 반응을 촉진하도록 했다. MoSe₂가 이산화탄소 반응이 일어나기 쉬운 환경을 만들고, 백금이 전자의 이동을 도우면서 두 조촉매가 상호 보완적으로 작용하는 구조다.

개발된 광촉매는 빛을 한곳에 모으는 집광형 반응기에서 메탄 생산량 17.81 μmol/g을 기록했다. 이는 일반적인 광조사 조건보다 약 3배, 기존 TiO₂ 광촉매보다 약 65배 높은 성능이다. 연구팀은 실험과 이론 계산을 통해 집광에 따른 광자 공급 증가와 촉매 계면에서의 효율적인 전자 이동이 메탄 생산 성능을 높이는 핵심 요인임을 확인했다.

인수일 교수는 “이 기술은 태양광과 물, 이산화탄소만을 이용해 별도 외부 에너지없이 메탄 연료를 생산하는 인공 광합성 시스템 핵심 촉매로 활용될 수 있다”면서 “향후 온실가스 배출원에서 이산화탄소 포집 및 자원화하는 CCU 설비에 적용해 탄소중립에 기여할 것”이라고 말했다.

한국연구재단 나노미래소재원천기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’에 게재됐다.