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태양광 이용해 이산화 탄소를 메탄올로 전환할 수 있는 촉매 개발해
콜드 플라즈마 공정을 통해서 반도체에 이종 원소 삽입해 띠틈 줄여… 단일공정으로 이산화 탄소를 고부가가치 화합물로 전환
[424호] 2016년 09월 13일 (화) 김승후 기자 mind9063@kaist.ac.kr
   

▲ 연구팀이 개발한 촉매의 구조와 작용 방식

(a) TiO2 내부에 질소와 수소 원소를 삽입한 구조. (b) 반도체에 이종 원소가 삽입되자 에너지 층이 형성되어 띠틈이 줄어들었다.

 
EEWS 대학원 강정구 교수, 김용훈 교수 공동 연구팀이 태양광을 이용해 이산화 탄소를 메탄올로 바꿀 수 있는 산화물 반도체를 개발했다. 이번 연구는 지난 7월 10일 에너지 분야 학술지 <어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Mate-rials)>에 게재되었다.
 
인공광합성 촉매 연구 활발히 진행돼
인공광합성 기술은 식물의 광합성 효과를 본뜬 청정 에너지 기술로, 태양에너지를 이용해 물에서 얻은 수소와 이산화 탄소로부터 메탄올처럼 에너지 밀도가 높은 화학물질을 만드는 기술이다. 인공광합성에는 강한 산화•환원 반응이 일어나야 하므로, 이를 촉진하기 위한 광 촉매가 필요하다. 일반적으로 백금, 금, 루테늄 등 귀금속이 촉매로 사용되지만, 귀금속 촉매의 가격이 너무 높아 이를 저렴하고 매장량이 풍부한 구리, 니켈, 타이타늄 등으로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 
 
띠틈 줄이기 위해 이종 원소 삽입
연구팀은 이산화 탄소를 메탄올로 바꾸는 반응을 촉진하기 위한 촉매로 산화물 반도체를 이용했다. 반도체가 충분한 에너지의 빛을 받으면 원자가띠(valance band)에 있던 전도띠(conduction band)로 이동한다. 이때 전자와 정공(electron hole)이 생성되며, 이산화 탄소 환원 반응과 물의 산화 반응에 사용한다. 하지만 기존의 반도체는 띠틈이 넓어 자외선만 흡수할 수 있었다. 여기서 반도체 물질 내부에 이종(異種) 원소를 삽입하면 띠틈 안에 에너지 층이 형성되어 띠틈이 줄어들며, 에너지가 작은 가시광선으로도 반응을 일으킬 수 있다. 이전에는 반도체 물질 내부에 한 가지 원소를 삽입하는 연구만 진행되었지만, 연구팀은 단일 공정으로 이산화 타이타늄(TiO2)에 질소, 수소 원소를 삽입하는 데 성공했다. 
 
콜드 플라즈마 반응으로 기체 분리해
연구팀은 TiO2 격자구조 안에 질소와 수소를 삽입하기 위해 콜드 플라즈마(cold plasma) 반응*을 사용했다. 물질 내부로 질소나 수소가 들어가려면 기체가 이온 상태로 분리되어야 한다. 플라즈마 상태의 기체가 TiO2의 표면과 접촉하면 반응성이 좋은 질소, 수소 이온이 TiO2 격자구조 내부에 삽입되며 타이타늄-수소-질소 결합이 생성된다.
 
원자 수준 모델링으로 반응 효율 확인
한편, 연구팀은 원자 수준의 모델링으로 TiO2 내부에 기체 입자들이 들어가서 일으키는 경우의 수를 다양하게 고려했다. 이를 통해 연구팀은 전자의 밀도 변화와 띠틈 구조를 계산해 촉매 반응의 효율이 향상된 원리를 이론적으로 파악할 수 있었다.  연구팀은 실험 결과와 모델링 결과를 조합해 질소나 수소가 격자구조에 치환 또는 삽입되는 방식과 띠틈에서 하는 역할을 밝혔다. 또한, TiO2 외에 다양한 금속 산화물 반도체도 내부에 이종 원소를 삽입하면 효율이 향상한다는 것을 증명했다.
 
이번 연구를 통해 연구팀은 반도체의 빛 감응 범위를 가시광선 영역까지 확장했고, 전자와 정공을 전달하는 능력을 월등히 증가시켰다. 또한, 반도체에 두 가지 원소를 삽입한 결과 한 가지 원소를 삽입했던 기존 연구보다 효율이 높은 것을 확인했다. 특히 이번 연구에서 개발한 산화물 반도체를 이용하면 메탄올의 생산 효율이 기존보다 높을 뿐 아니라, 일산화 탄소나 메탄산 같은 물질도 함께 만들 수 있다. 연구에 참여한 이규헌 학우는 “이번 연구를 이용하면 간단한 공정으로 이산화 탄소를 고부가가치의 화학물질로 변환시킬 수 있다”라며 “탄소배출규제 시행에 따른 이산화 탄소의 처리 및 절감 문제를 해결하는 대안 기술이 될 수 있다”라고 연구의 의의를 밝혔다.
 
 
콜드 플라즈마 반응*
삽입할 기체를 여러 종류의 이온, 라디칼 등 많은 상태의 기체가 혼재한 플라즈마 상태로 만들어 격자 구조 내부에 기체를 삽입하는 반응. 기존에 고온에서 진행되던 열 분해 방식과 달리 상온에서도 기체를 분리할 수 있게 함.
 
 

 

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