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이산화탄소를 순수 메탄 연료로 바꾸는 아연-구리산화물 촉매 개발
태양광을 이용해 탄산수에 포함된 이산화탄소를 메탄 연료로 바꿔… 환경 문제 해결과 우주 개발에 활용 가능한 기술로 주목받아
[444호] 2018년 02월 27일 (화) 곽지호 기자 jim9611@kaist.ac.kr

  화학과 송현준 교수 연구팀이 태양광을 이용해 탄산수에 포함된 이산화탄소를 99% 순수한 메탄(CH4) 연료로 바꿔주는 나노 광촉매*를 개발했다. 연구팀이 개발한 촉매는 아연이나 구리와 같이 주변에서 발견하기 쉬운 값싼 물질을 이용해 반응 효율과 선택성을 크게 높인 화학에너지 저장 방법을 구현하였다는 의의를 가진다. 이번 연구는 지난해 11월 7일 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 온라인판에 게재됐다.

아연-구리산화물로 제작한 이번 촉매

  연구팀은 구형의 아연산화물 표면에 구리산화물이 붙어 있는 강정 형태의 광촉매를 개발함으로써 촉매 반응성을 향상시켰다. 구리산화물(Cu2O)은 빛을 받으면 높은 에너지를 가진 전자를 생성해 탄산수에 포함된 이산화탄소를 메탄으로 바꾸며, 아연산화물(ZnO)은 빛을 받으면 전자를 구리산화물로 전달해 준다. 이번 연구에서는 아연산화물 나노입자의 표면에 구리산화물 단결정**을 성장시켜 콜로이드*** 형태의 ZnO-Cu2O(아연-구리산화물) 혼성 나노 구조체를 제작하는 방식을 사용했다. 이렇게 제작된 촉매는 기존 촉매보다 반응시간을 오래 유지했으며, 촉매를 이용해 탄산수에 포함된 이산화탄소에서 99%의 순수한 메탄을 얻을 수 있었다.

   

▲ 나노촉매의 구조와 이를 이용한 광촉매의 CO2 변환 반응 (송현준 교수 제공)
(a)아연-구리산화물 나노촉매의 구조로 아연산화물 표면에 구리산화물이 강정 형태로 붙어있다. (b)촉매를 넣은 후 각 물질의 생성량 변화 

불균일한 촉매가 갖는 문제점 극복해
  현재 산업 현장에서는 화학 구조가 일정하지 않은 불균일한 촉매들이 많이 사용되고 있다. 하지만, 이들은 촉매의 구조나 기능, 특성 등을 자세히 알기 어렵다는 단점이 있다. 또한, 기존의 불균일 촉매는 잘 분산되지 않는다는 문제점도 존재한다. 이번 연구에서는 나노 화학 합성 방법을 사용해 균일한 촉매를 제작하고 촉매의 표면적을 늘림으로써, 반응의 활성과 촉매 수명 등의 촉매 특성을 높였다. 또한, 반응이 선택적으로 이루어지지 않음과 더불어 반응 시 이산화탄소 환원 대신 수소가 생성된다는 기존 촉매의 한계를 극복해, 이산화탄소 변환 활성을 수백 배 증가시켰다.

우주 개발 등의 분야에 활용될 전망
  이번 연구는 에너지 및 환경 문제 해결에도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 미래 에너지로 주목받고 있는 태양광은 시간과 날씨의 구애를 받기에, 햇빛이 비치는 동안 태양 에너지를 다른 형태의 화학 에너지로 저장해야 한다. 현재는 태양전지를 이용한 발전 방식이 주로 사용되고 있지만, 태양광을 이용해 이산화탄소를 메탄으로 변환하는 과정은 태양전지를 이용해 전기를 생성하고 저장하는 방식보다 효율적이어서 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 메탄 연료의 형태로 저장된 에너지는 LNG 버스나 전기 발전에도 활용 가능하다. 또한, 지구 온난화의 원인으로 주목받는 대기 중 이산화탄소 농도를 줄일 수 있어 온실 기체를 감소시킬 수 있다는 장점도 존재한다.
  연구팀이 개발한 촉매는 우주 개발에 사용할 수 있다는 평가도 받고 있다. 대기 중의 이산화탄소를 메탄으로 바꿀 수 있다면 화성 기지에서 태양광을 이용해 에너지를 생산할 수 있으며, 연료 공급에도 도움을 줄 수 있기 때문이다.

  송 교수는 “이번 연구는 분자를 우리가 원하는 방향으로 조작하는 소분자 활성 연구의 한 종류이다”라며, “다른 분자에 대해서도 위와 같은 연구를 이어나가 전 지구적인 에너지 문제나 환경 문제 등을 해결할 수 있도록 하겠다”고 전망을 밝혔다.

광촉매*
빛에 반응하여 화학반응을 촉진시키는 촉매. TiO2, ZnO 등이 있다.

단결정**
규칙적으로 배열된 원자구조를 갖는 고체.

콜로이드***
1nm에서 1μm 사이의 크기의 입자로 구성된 혼합물의 상태. 예시로는 우유, 유리 등이 있다.
 

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