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KAIST, 금속산화물 혼성 광촉매 개발
2017년 12월 1일 (금) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2017년 12월호 - 전체 보기 )

KAIST, 금속산화물 혼성 광촉매 개발
이산화탄소를 99% 순수 메탄연료로 변환시켜

KAIST(총장 신성철) 화학과 송현준 교수 연구팀이 탄산수에 포함된 이산화탄소를 99% 순수한 메탄연료로 바꿔주는 금속산화물 혼성 광 나노촉매를 개발했다. 태양광을 이용해 메탄으로 직접 변환하는 기술은 태양전지를 이용해 전기를 생산후 이를 전지에 저장하는 방식보다 저장 가능한 에너지의 양 측면에서 매우 효율적이다. 이번 연구는 값싼 촉매물질을 이용해 반응 효율과 선택성을 크게 높인 화학에너지 저장방법을 구현했다는 의의를 갖는다. 이번 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7일자 온라인 판에 게재됐다. 자료 : 한국과학기술원(KAIST)

태양광은 차세대 에너지원으로 주목받고 있지만 해가 떠있는 동안에만 이용할 수 있고, 발전량이 날씨에 따라 일정하지 않다는 단점이 있다. 만약 태양광에너지를 연료 등의 화학에너지로 직접 변환할 수 있다면, 에너지 저장 및 이용에서의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 특히 온난화 주범으로 지목되는 이산화탄소를 태양광을 이용해 변환하는 기술이 에너지와 환경문제를 함께 해결할 수 있어 주목받고 있다. 하지만, 이산화탄소는 매우 안정적인 물질이기 때문에 다른 분자로의 변환이 어렵다. 따라서 이를 극복하기 위해서는 효율과 선택성이 좋은 촉매를 개발해야 한다.

아연산화물 나노입자 합성 후
아연-구리산화물 혼성 나노구조체 제작
연구팀은 선크림에 주로 사용되는 아연산화물 나노입자를 합성한 뒤, 표면에 구리산화물을 단결정으로 성장시켜 콜로이드 형태의 아연-구리산화물 혼성 나노구조체를 제작했다. 선크림에 흔히 사용되는 아연산화물 나노입자를 합성하고, 표면에 구리산화물을 단결정으로 성장시켜 콜로이드 형태의 아연-구리산화물 혼성 나노구조체를 제조했다. 구리산화물은 빛을 받으면 높은 에너지를 가진 전자를 생성하며, 이는 탄산수에 녹아있는 이산화탄소를 메탄으로 바꿔주는 역할을 한다. 또한, 아연산화물도 빛을 받아 전자를 생성한 뒤, 구리산화물로 전달해주기 때문에 마치 나뭇잎에서 일어나는 광합성 현상과 유사한 원리를 통해 오랜 시간 반응을 유지했다. 그 결과 수용액에서 반응실험을 실시했음에도 불구하고, 이산화탄소에서 99%의 순수한 메탄을 얻을 수 있었다.




[그림 1] 아연-구리산화물 나노촉매 구조와 이를 이용한 광촉매 CO2 변환반응 및 안정성 테스트 결과


[그림 2] 광 나노촉매를 이용한 수용액에서의 이산화탄소 변환 반응 개념도

나노화학 합성방법 이용,
촉매입자 구조 일정하게 조절
광촉매 구조를 나노수준에서 조절하여 구조가 매우 균일한 나노촉매를 제조하면, 반응 메커니즘을 이해하기 쉽다. 또한, 이를 바탕으로 새로운 촉매를 디자인하고 반응특성을 크게 향상시킬 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다. 기존의 불균일 광촉매는 고체 분말형태이기 때문에 구조가 균일하지 않고, 물에 분산되기 어려웠다. 송교수 연구팀은 나노화학 합성방법을 이용해 촉매입자의 구조를 일정하게 조절하고 높은 표면적을 유지시켰다. 이를 통해 기존 촉매보다 수용액에서의 이산화탄소 변환활성을 수백 배 증가시켰다.
송현준 교수는 “태양광을 이용한 이산화탄소의 직접변환 반응의 상용화에는 많은 시간이 필요하다. 그러나 이번 연구처럼 나노수준에서 촉매구조의 정밀한 조절은 광촉매 반응의 효율 향상 및 원리연구에 큰 도움을 줄 것”이라고 설명하며, “이를 다양한 광촉매에 접목시키면 촉매특성의 최대화가 가능할 것”이라고 말했다. 이번 연구는 목포대 남기민 교수가 공동저자, KAIST 배경렬 박사와 김진모 박사과정이 공동 1저자, 임찬규 박사과정이 3저자로 참여했다. 또한, 이번 연구는 사우디 아람코-KAIST CO2 매니지먼트 센터와 한국연구재단, 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐다.


왼쪽부터 송현준 교수, 김진모 박사과정, 임찬규 박사과정

용어설명
1. 광촉매적 변환(Photocatalytic conversion) : 촉매에 빛을 쬐어 높은 에너지의 전자를 발생시킴으로써 산화·환원 반응을 유도하여 원하는 화학물질로 변환시키는 방법. 태양광을 이용할 수 있으므로 차세대 에너지 제조방법으로 주목받고 있다. 대표적인 예로 광 촉매적 수소 발생, 산소 발생, CO 2 환원 반응 등을 들 수 있다.
2. 나노 촉매(Nano catalyst) : 나노구조화 촉매(nanostructured catalyst)로도 불리며, 기존 불균일촉매의 구조를 나노 합성기술을 이용하여 매우 균일하게 조절할 수 있다. 또한, 반응 메커니즘을 이해하고 반응 특성을 극대화할 수 있는 촉매다. 뿐만 아니라, 반응을 지배하는 요소인 촉매입자의 크기 뿐 아니라 형상, 표면 구조, 이종 물질과의 계면, 기공구조 등 촉매구조의 모든 부분을 나노, 또는 원자수준에서 정밀하게 조절하여 원하는 반응을 유도할 수 있다

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