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『신기술 2』 광촉매로 탄소 포집·활용(CCU) 가능해진다
2024-04-15

광촉매로 탄소 포집·활용(CCU) 가능해진다
태양전지 성능 높인 기술개발까지 
태양전지 표면에 쌓이는 먼지와 같은 오염물질들은 에너지 생산량에 손실을 끼친다. 먼지 제거 기술인 전기역학 스크린은 고전압의 교류 전기를 공급할 외부 전력원이 필요하다. 이에 바람에너지로 구동되는 고출력 마찰대전 에너지 발전소자를 개발했다. 또한 ‘열전기술’은 열과 전기 사이의 에너지 변환기술로써 버려지는 열을 전기로 변환하는 친환경 기술이다. 일반적으로 ‘열을 이용한 발전효과’와 ‘전기를 이용한 냉각효과’를 얻을 수 있으며, 배폐열 회수 발전, 무냉매 냉각장치 등 전통적 산업에서의 응용뿐 아니라, 국부 냉각·가열을 통한 정밀 온도제어시스템 및 지속적 전원 공급을 위한 에너지하베스터 등 첨단 신산업 분야 응용까지 폭넓은 활용성으로 주목받고 있다. 국내 연구팀에 의해 기술적 난제를 해결해 개발된 ‘유무기 열전복합물’인 효율성이 뛰어난 열전소재를 개발해 화제다.

정리 편집부
자료 DIGST, KERI

DGIST 에너지공학과 인수일 교수 연구팀이 태양 빛을 이용하여 지구온난화 주범인 이산화탄소(CO2)를 메탄(CH4) 연료로 전환하는 고효율 광촉매를 개발했다. 이번에 개발한 친환경 기술이 탄소 포집1) 및 활용2)(Carbon Capture and Utilization, 이하 ‘CCU’) 기술에 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이산화탄소를 친환경
에너지로 변환, 고효율 광촉매 개발
이산화탄소를 감축하면서 유용한 연료로 전환할 수 있는 친환경 기술인 광촉매에 대한 연구가 활발하다. 광촉매는 태양 빛을 제외한 전기와 같은 에너지를 외부에서 추가로 공급하지 않아도 되고 시스템이 단순해서 미래 유망 CCU 기술로 주목받고 있다. 하지만 현재까지 개발된 대부분의 광촉매는 원자가 규칙적으로 배열된 결정 구조(Crystal structure)3)로 이루어져 있기에, 구조를 유지하면서 촉매 내 다양한 활성점을 설계하기 위해서는 배열을 준수하기 위한 구성 원소의 조성 조건 등이 발생해 많은 제약이 존재했다.

연구팀은 다양한 활성점을 포함하고 전자 전달 성능을 개선한 고효율 광촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 광촉매는 ‘이산화탄소 흡착 및 활성화할 수 있는 Ti3+ 활성점’과 ‘물을 분해하여 양성자를 공급할 수 있는 In3+ 활성점’을 포함하고 있는 ‘비정질 구조의 In2TiO5 광촉매’를 제작하고, 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe2) 나노레이어 MoSe2 나노레이어: 몰리브덴(Mo)과 셀레늄(Se)의 무기 화합물로, 칼코겐 음이온4)과 금속 양이온의 조성으로 이루어진 디칼고게나이드(TMDC)이 나노 수준의 얇은 층상 구조를 이루고 있는 소재이다. MoSe2는 같은 TMDC인 MoS2 대비 전기전도도가 우수하며, 태양빛으로 형성된 전자와 홀의 재결합을 막으며, 광촉매의 전하 이동을 촉진한다.
전자 전달 성능을 개선한 연구팀은 구조 분석을 통해 신규 개발한 광촉매가 기존에 상용화된 TiO2 광촉매보다 메탄 전환량이 51배 더 많은 것으로 확인했다. DGIST 인수일 교수는 “이번 연구를 통해 이중 활성점을 보유한 고효율 광촉매 기술이 개발됐다는 것에 큰 의의가 있다”며, “향후 기술 상용화를 위해 비정질 광촉매의 에너지 손실 개선 및 안정성 향상 관련 후속 연구를 하겠다”고 밝혔다. 이 연구결과는 에너지·환경 분야의 저명한 국제학술지 <Chemical engineering journal’(IF 15.1)>에 온라인 게재됐다.

연구팀이 합성한 비정질 구조의 In2TiO5/MoSe2 광촉매의 광학적 성능과 광화학적 이산화탄소 전환 성능 평가를 수행했다. 비정질 구조의 In2TiO5 광촉매의 (a) In 농도에 따른 12시간 동안 CO2의 CH4 전환량, (b) 비정질 구조의 In2TiO5 광촉매 합성 온도에 따른 12시간 동안 CO2의 CH4 전환량, (c) 2차원 구조의 MoSe2 나노레이어 함량에 따른 12시간 동안 CO2의 CH4 전환량을 보여준다.
저밴드갭 페로브스카이트
태양전지 최고효율 달성
페로브스카이트5) 태양전지 성능을 한층 더 발전시킬 수 있는 기술이 개발됐다. UNIST 에너지화학공학과 장성연 교수팀은 고려대학교 곽상규 교수팀과 공동연구를 통해 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 광활성층과 양자점층을 접합해 태양전지 소자의 효율을 큰 폭으로 개선할 수 있는 기술을 개발했다. 결합된 소재가 접합되며 만들어진 박막층을 활용해 전지의 효율을 대폭 상승시켰다. 생성된 접합층은 내부 전기장을 강화시키고, 경계면의 결함을 대폭 감소시켜 전하의 이동 거리를 늘렸다. 전하추출의 효율을 높인 것이다.
주석-납 할로겐화물 화합물은 밴드 간의 에너지 갭의 차이가 적다. 근적외선 영역대 빛까지 흡수하는 능력이 뛰어나지만, 내부결함이 많고 전하의 이동 거리가 짧아 전하를 안정적으로 추출하기 어려웠다. 페로브스카이트 양자점을 주석-납 페로브스카이트 층 위에 박막으로 덮어 기존의 고질적 문제를 개선했다. 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 박막 표면에 양자점 소재를 씌우면 양자점 표면에 존재하는 ‘올레일 리간드’가 페로브스카이트 표면에 있는 결함 부위를 대폭 개선하며 박막의 안정성이 향상됨을 확인했다.

페로브스카이트 태양전지 분야,
새로운 연구 방향성 제시
소재가 달라 발생하는 특성 차이로 전자 추출이 용이하도록 에너지준위가 정렬되며 효율적으로 전하를 수집한다는 사실도 발견했다. 태양광에 의해 생성된 전하를 더 많이 추출할 수 있게 된 것이다. 개발된 기술로 제작된 소자는 지금까지 보고된 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지의 최고 광전변환효율6)인 23.74%를 달성했다. 기존 방식으로 제작했을 경우 19% 효율을 보인 것과 대비해 약 20% 성능이 향상된 것이다.
연구자에게 듣는다
연구 배경은
지구온난화 문제와 에너지 고갈 문제는 과학자가 짊어져야 할 인류의 과제라고 생각하였다. 광화학적 기상 반응을 통한 이산화탄소 전환 기술은 분말 형태의 광촉매에 태양 빛을 조사하면서 CO2와 H2O를 흘러만 줘도 연료로 전환할 수 있다. 전기나 열 등 외부에서 추가 에너지를 공급하지 않아도 태양 빛만으로 이산화탄소를 연료로 전환할 수 있다는 큰 장점이 있는 기술이다. 고효율 광촉매를 개발은 이산화탄소의 저감뿐만 아니라 에너지 생산을 통해 이러한 문제를 해결할 수 있으리라 생각하였다.

연구의 가치는 
그동안 학계에 보고된 광촉매는 대부분 결정 구조의 광촉매로, 촉매 반응이 발생하는 활성점 이용이 제한적이었다. 본 연구는 3개 이상의 원소로 구성된 비정질 구조의 광촉매를 개발하여, 새로운 활성점을 개척할 수 있다. 화학 반응에 필요한 새로운 이중 활성점 도입을 통해 새로운 화학 반응을 도입할 뿐만 아니라, 기존 반응과 시너지 효과로 전반적인 광촉매 성능 향상할 수 있다. 이는 광촉매 분야에서 기존에 시도되지 않았던 새로운 연구로 학계에 새로운 소재 합성 전략을 제안할 수 있다.

이번 성과의 차별성은
기존의 광촉매 연구는 내구도가 우수한 결정 구조의 소재에 국한되어 연구되었다. 결정 구조의 소재는 안정성이 우수하다는 장점이 있지만, 대부분 CO2 환원 반응 활성만 특이적인 활성점 하나만 존재한다. CO2를 CH4와 같은 탄화수소 연료로 전환하기 위해서 CO2 활성점 외에도, 반응에 필요한 H+를 공급할 수 있는 활성점이 필요하다. 본 연구에서는 CO2 활성점과 H+ 공급 활성점을 모두 보유한 이중 활성점 기반 광촉매를 비정질 구조로 개발했다.

기술의 활용범위는 
지구온난화의 주범인 CO2를 에너지 연료인 CO, CH4, C2H6와 같은 물질로 전환할 수 있다. 본 연구에서 전환한 산물은 CH4로 천연가스의 대표적인 주된 연료 구성 성분이다. 천연가스는 주로 난방, 도시가스, 전력, 교통 수단의 연료 등 다양한 분양에서 연료로 사용될 수 있다. 따라서, 광촉매는 CO2 감축과 에너지 생산 분야에 동시에 적용될 수 있다.

상용화까지 과제는 
In2TiO5/MoSe2 광촉매를 실용화하기 위해서는 비정질 구조에서 기인되는 문제인 내구도 문제를 해결해야 한다. 비정질 구조의 소재는 electronic states의 편재로 격자 진동과 전자의 에너지 손실을 유발한다. 실제로 본 연구에서 사용한 In2TiO5/MoSe2 광촉매는 36시간 뒤에 효율이 32.2% 감소한다. 따라서 비정질 소재 구조에 발생하는 electronic states 편재 문제 해결을 위한 방법으로 결함 구조 최적화, 부동태층 적용 등 다양한 내구도 향상 관련 연구도 필요하다.

이후 목표는 
실용화를 위한 한계로 제시한 안정성과 C2+ 선택도를 개선할 수 있는 연구를 수행하고 싶다. 광촉매를 이용한 이산화탄소를 CH4, CO 등 C1 화합물로 전환하는 연구는 높은 수준까지 개발되었다. 기술 실용화를 위해, 필수적으로 요구되는 고안정성 및 C2+ 고부가가치 연료전환을 위한 광촉매 개발 연구를 성공하고 싶다.

연구자에게 듣는다
연구 배경은 
태양광 발전은 빛 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있는 광전효과를 이용하는 광전지7)인 태양전지를 통해 이루어지며 이산화탄소 및 기타 부산물들을 배출하지 않는 친환경적인 방법으로서 최근 많은 연구가 집중되고 있다. 가장 많은 연구가 집중되고 있는 납 기반 페로브스카이트 태양전지(광전변환효율, 26.1%)의 경우 우수한 박막 품질을 형성시킬 수 있어 고효율 태양전지 소자 제작이 상대적으로 수월하다는 장점이 있다. 하지만 에너지 변환 과정 중 발생하는 손실을 고려한 태양전지의 이론적 효율인 S-Q 한계8)에 따르면 납 기반 페로브스카이트 태양전지의 경우 다소 넓은 밴드갭(1.5 eV)을 형성하고 있기에, 넓은 영역대의 빛 흡수를 위해서는 이보다 좁은 밴드갭9)을 가진 소재를 활용할 필요성이 점차 대두되고 있다.

기존의 납 기반 페로브스카이트 태양전지에 주석을 추가로 도입한 주석-납 기반 페로브스카이트의 경우 S-Q 한계상 매우 적절한 밴드갭(1.2 eV-1.4 eV)을 가져 기존의 납 기반 페로브스카이트 태양전지보다 높은 이론적 효율을 가질 수 있다. 하지만 주석의 산화성 및 높은 반응성으로 인해 고품질 박막 형성 기술이 여전히 부족하며 이로 인한 표면 결함, 낮은 내부 전하 이동거리가 발생해 기존의 납 기반 페로브스카이트 태양전지에 비해 낮은 태양전지 소자 효율과 더딘 연구 속도를 보이고 있다. 이에 대한 해결책으로 이번 연구에서는 페로브스카이트 양자점 도입을 통해 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지의 문제점을 적극 해결하여 효율을 대폭 향상시켰다. 페로브스카이트 양자점 태양전지에 대한 기술 확보를 통해 페로브스카이트 양자점의 활용성을 높였을 뿐만 아니라 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지 분야에도 새로운 연구 방향성을 제시하였다.

연구 성과 내용과 가치는
주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지의 효율 저하를 불러일으키는 가장 핵심적인 문제인 표면 결함과 낮은 전하이동거리 문제점을 페로브스카이트 양자점10) 도입을 통해 동시에 해결하였다. 페로브스카이트 양자점은 수~수십nm에 크기에 달하는 매우 작은 입자이다. 페로브스카이트 양자점의 표면에는 입자의 크기를 유지 시켜줌과 동시에 외부 수분 침투로부터 페로브스카이트 나노입자를 안정적으로 보호해 줄 수 있는 무극성을 띠는 올레일 리간드가 결합되어 있다. 올레일 리간드는 페로브스카이트 양자점의 표면에 결합하여 표면의 결함을 감소시켜 줄 수 있는 역할을 수행한다.

또한 기존의 페로브스카이트 태양전지에서는 용매 조건 제한으로 인해 적층형 광활성층 구조를 활용할 수 없었으나, 페로브스카이트 양자점을 공정에 도입할 경우 용매 조건 제한이 크게 사라져 적층형 광활성층 구조를 활용 가능하며, 이를 통해 에너지 준위11) 구배를 손쉽게 일으킬 수 있게 된다. 페로브스카이트 양자점을 활용하여 주석-납 기반 페로브스카이트 박막의 표면 결함 제어 및 광활성층 내부 에너지 레벨 구배를 형성시켜 전하추출능력을 크게 향상시켰으며, 이는 곧 태양전지 소자의 효율 상승효과를 불러일으켰다.

이후 과제는 
연구팀이 제안한 주석-납 기반 페로브스카이트층에 페로브스카이트 양자점을 처리하였을 경우 주석-납 페로브스카이트 태양전지의 표면 결함 감소 및 내부 전기장 형성으로 인해 전하이동거리가 대폭 향상하였으며 이는 고효율 태양전지 제작으로 이어졌다. 그동안 고품질 박막 형성 공정에 대한 부재으로 인해 연구가 상대적으로 미비했던 저밴드갭 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지 분야에 대한 새로운 연구 방향 제시를 하였을 뿐만 아니라 페로브스카이트 양자점 태양전지에 대한 활용도를 높여 추가적인 연구 성과도 기대할 수 있게 된다.
1) 포집: 여러 가지 방법으로 일정한 물질 속에 있는 미량 성분을 분리하여 잡아 모으는 과정이다.
2) 활용: 탄소의 포집 이후 활용에 관한 일이다. Carbon Capture and Utilization, 이하 ‘CCU’의미한다. 
3) 결정 구조(Crystal structure): 원자나 분자가 규칙적으로 배열된 특정 내부 구조를 갖는 물질이다.
4) 칼코겐 음이온: 주기율표 16족에 해당하는 산소족 원소인 O, S, Se, Te 등이 있다.
5) 페로브스카이트: 칼슘 티타늄 산화물(CaTiO3) 광물의 구조를 한 물질을 통칭하는 것이나 태양전지에 활용되는 페로브스카이트 소재는 보통 납 혹은 주석 기반의 할로겐화물 페로브스카이트를 일컫는다. 할로겐화물 페로브스카이트는 높은 흡광계수, 긴 전하이동거리, 낮은 결함밀도 등 우수한 광·전기적 특성을 보유하고 있어 태양전지의 광활성층으로 많이 활용되고 있다.
6) 광전변환효율: 태양전지의 성능을 나타내는 가장 대표적인 값이다. 입력전력 대비 출력전력의 비로서 계산이 되며 태양전지로 입사된 빛 에너지가 얼마만큼의 전기 에너지로 변환되었는지 척도를 나타내는 수치이다.
7) 광전지: 광전지는 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 전환할 수 있는 에너지 전환 장치로서 태양광을 활용할 시에 태양전지로도 불린다. 광전소자의 일종으로서 빛이 입사되면 전기적 특성(전류, 전압, 저항)이 달라지게 된다. 광전지 내부의 광활성 소재에서 빛을 흡수하게 되면 엑시톤이 형성되며 엑시톤은 전자와 정공으로 분리되며 이는 각각 음극과 양극으로 추출되어 전기를 생산하게 된다.
8) S-Q 한계: 단일 p-n 접합을 사용하여 셀에서 전력을 수집할 수 있는 태양전지의 최대 이론 효율이다. S-Q 한계에서 유일한 에너지 손실 메커니즘은 복사 재결합이다. 밴드갭 1.34 eV에서 이론적 최대 효율인 33.7%의 광전변환효율을 얻을 수 있다.
9) 밴드갭: 반도체 소재에서 전도띠의 하단부분과 가전자띠의 상단부분의 에너지 차이를 의미한다. 태양전지에서는 광활성층에서 빛을 흡수하므로 광활성층의 밴드갭이 태양전지 소자가 흡수 가능한 빛의 영역대를 결정지으며, 좁은 밴드갭 일수록 장파장 영역대의 태양광 스펙트럼을 흡수 가능하다는 점이 있다.
10) 페로브스카이트 양자점: 페로브스카이트 구조를 가지는 소재가 수~수십 nm의 크기를 가지는 아주 작은 입자이다. 페로브스카이트의 소재적 특성을 그대로 가지고 있으며 나노화를 통해 추가적인 밴드갭 조절이 가능하다는 점과 표면에 결합하고 있는 무극성 올레일 리간드 등을 통하여 수분 및 산소에 대한 반응성을 차단하여 높은 안정성을 지니고 있는 장점을 가진 소재이다.
11) 에너지 준위: 원자 및 분자가 가질 수 있는 에너지 값을 일컷는 용어이나, 태양전지에서 사용되는 에너지 준위의 의미는 광반도체가 빛을 흡수하였을 경우 들뜬 전자와 생성된 양공이 존재하고 있는 전도띠와 가전자띠의 에너지의 위치를 의미한다. 이때 전자와 양공이 원활히 추출되기 위해서는 소자에서 활용하는 소재 간의 에너지 위치의 정렬이 중요하다.

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