월간전기



[신기술]이산화탄소로 에너지원 만드는 인공광합성

2019-10-01

이산화탄소로 에너지원 만드는 인공광합성 미래 친환경 에너지, 화학 산업 선도하는 핵심 기술 인공광합성 기술은 태양광과 같은 신재생 전기에너지를 이용하여 물과 이산화탄소를 탄화수소 화합물로 전환하는 기술이 다. 이 기술은 이산화탄소 저감 효과와 더불어 유용한 연료 및 고부가가치 화학 원료를 생산하기 때문에 미래 친환경 에너 지 및 화학 산업을 선도할 수 있는 핵심 기술이다. 그동안 인공광합성 기술의 가장 어려운 숙제 중 하나였던 이산화탄소로부터 포름산을 안정적으로 만들어내는 전기분해 기술을 개발하여, 촉매 안정성 문제를 해결할 돌파구를 마련한 연구성과가 있어 소개한다. (메인 이미지: 2단계 전기분해법을 이용한 전기화학적 포름산 생성 기술의 모식도 및 성능) 정리 김향인 기자 \| 자료 한국과학기술연구원(KIST), 서울대학교 광합성(photosynthesis, 光合成)이란 녹색식물에 의한 에너지 변환 과정을 의미한다. 식물의 잎세포에는 엽록 소가 들어 있는 엽록체가 있는데, 이 엽록체 안에서 태 양광선 에너지를 생물이 이용할 수 있는 생물 에너지로 만든다. 다시 말해 빛 에너지를 이용해 이산화탄소와 물로부터 유기물을 합성하는 작용이다. 인공광합성이란 빛 에너지를 이용하여 물과 이산화탄 소를 탄수화물과 산소로 전환하는 이러한 광합성 작 용을 모방하는 화학공정으로서 생체모방학 (biomimetics)의 한 분야이다. 빛 에너지를 연료 혹은 태양전지의 화학결합 에너지로 저장하는 모든 수단을 포함한다. 인공광합성은 광합성의 빛 의존적 반응과 비의존적 반 응을 수행하는 광촉매를 이용하여 물을 수소이온과 산소로 분해하거나 이산화탄소를 고정하는 분야로 나뉘어진다. 주 연구분야는 청정 에너지인 수소를 생산 하는 분야와 이산화탄소로부터 일산화탄소, 개미산, 혹은 메탄올을 생산하는 분야이다. 광촉매는 광자를 빠르고 효율적으로 대량 흡수할 수 있어야 하며, 내구 성과 호환성이 좋아야 한다. 친환경 에너지 산업의 핵심기술 한국과학기술연구원(KIST) 국가기반기술연구본부(민 병권 본부장, 황윤정 박사 연구팀)는 서울대학교 재료 공학부 남기태 교수 연구팀과의 전략적 협력 연구사업 을 통해 인공광합성 분야의 난제 중 하나인 이산화탄 소로부터 포름산을 안정적으로 만들어내는 전기분해 기술을 개발했다. 인공광합성 기술은 이산화탄소 저감 효과는 물론, 유용 한 연료와 고부가가치 화학 원료를 생산해 낼 수 있는 미래 친환경 에너지 산업을 이끌어갈 핵심 기술이다. ‘팔라듐’ 금속을 촉매로 활용하면 이산화탄소를 포름 산으로 전환할 수 있다. 포름산은 상온에서 자발적으 로 수소로 전환되며, 안정적인 액체 상태로 존재하여 운반이 쉽다. 이러한 점 때문에 차세대 자동차 연료로 사용될 가능성이 크며 수소 에너지 산업과도 깊은 연 관성을 가지는 중요한 화학물질이다. 이산화탄소 전환 효율 98% 이산화탄소를 전기화학적으로 포름산으로 전환하는 기술은 탄소 배출량을 줄이고 전기에너지를 포름산이 라는 화학적 형태로 저장하여 에너지원을 만든다. 팔 라듐 금속은 포름산 생성 반응에서 유일하게 낮은 과 전압과 높은 선택도를 동시에 보여주는 촉매로 알려져 있다. 그러나 일산화탄소 고정으로 인한 안정성 문제가 있어 서 그동안 산업적 활용이 불가능했다. 반응 도중 생성 되는 물질인 일산화탄소가 촉매 표면에 흡착되어 촉매 성능이 빠르게 저하되는 고질적인 문제가 있었기 때문 이다. 서울대-KIST 공동 연구진은 팔라듐 촉매는 백금이 수 소를 만들어내듯이 포름산을 만들어낼 수 있는 태생적 으로 매우 우수한 촉매이므로 안정성 문제만 해결된다 면 산업적으로 활용도가 높아 연구할 만한 가치가 있다 고 판단하였다. 팔라듐 촉매의 안정성 문제 해결 먼저 이번 연구에서 전압을 가하여 산화 반응을 유도 하면 촉매 표면에 흡착된 일산화탄소가 포름산보다 먼 저 산화된다는 사실에 주목하였다. 더욱이 특정 전압 범위에서는 포름산에는 영향을 주지 않고 문제가 되는 일산화탄소만을 산화시켜 제거할 수 있다는 사실을 새 롭게 발견하였다. 이러한 과학적 발견을 바탕으로 환원/산화 반응을 주기적으로 교차하여 유도하는 새로운 ‘2단계 전기분해 법 ’ 을 고안하였다. 그 결과 촉매 활성이 영구적으로 유 지되면서 98%의 선택도로 포름산을 생성해내는 놀라 운 촉매 반응 시스템을 개발하였다. 연구진은 팔라듐 기반 촉매의 성능 저하 메커니즘에 대 해 먼저 집중적으로 연구했다. 이 과정을 통해 일산화 탄소 흡착이 전류밀도를 감소시킬 뿐만 아니라, 수소 흡착력을 약화시켜 수소화물(hydride) 생성을 저해하 고 경쟁 반응인 수소 발생을 증가시킨다는 사실을 관 찰하였다. 이것은 강한 수소 흡착력이 높은 포름산 선 택도에 중요하다는 것을 암시한다. 그러나 수소, 일산화탄소 흡착력은 이론적으로 선형적 상관관계를 가지기 때문에 강한 수소 흡착력을 가지면 일산화탄소 흡착력도 강할 수밖에 없다. 이러한 복잡 한 상관관계 때문에 실질적으로 촉매 개발을 통해 일 산화탄소 흡착을 완벽하게 억제하는 것은 쉽지 않았던 것이다. 2단계 전기분해법’으로 해결 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 거듭되는 실험 과정을 통해 이산화탄소 환원 반응 후에 순환전압전류 법(Cyclic voltammetry)으로 촉매 표면에서 일어나는 산화 반응을 관찰하였을 때, 표면에 흡착된 일산화탄 소가 먼저 산화된다는 것을 발견하였다. 게다가 일산화 탄소 산화가 일어나는 산화 전위에서 포름산 산화가 전 혀 일어나지 않는다는 것도 밝혀냈다. 이러한 사실은 산화 전위의 범위 및 시간을 조절하면 일산화탄소만 선택적으로 산화시킬 수 있다는 것을 보 여준다. 연구진은 이러한 결과를 바탕으로 환원 전위 와 산화 전위를 번갈아 가하는 ‘2단계 전기분해법’을 고 안하였다. 10분 동안 환원 전위를 걸어준 뒤 다시 10초 동안 산화 전위를 걸어주는 이 두 단계를 반복하였다. 그 결과, 약 130mV의 낮은 과전압에서 45시간 동안 전류밀도가 그대로 유지되었으며 포름산 전환 선택도도 98%의 우수 한 성능을 얻을 수 있었다. 같은 촉매를 이용하여 2단계가 아닌 ‘정전위 전기분해 법 ’ 을 사용할 경우, 단 6시간 안에 전류밀도는 63%, 포 름산 선택도는 24%만큼 감소하였다. 산화 단계에 사용 되는 에너지 소비는 환원 단계와 비교하여 단지 2%에 불과하기 때문에 거의 추가적인 에너지를 들이지 않고 안정성을 확보하였다고 볼 수 있다. ‘2단계 전기분해법’은 다양한 전기화학적 반응에서 촉 매 안정성과 관련된 문제들을 해결하기 위한 일반적 인 방법론을 제공하게 될 것이라고 연구진은 기대하 고 있다. 이번 성과의 다른 점 기존 연구에서는 촉매 개발을 통해 포름산 생성 반응 의 안정성을 개선하려고 노력하였다면, 이번 연구에서 는 새로운 전기분해법을 도입하여 영구적으로 안정성 을 확보하였다는 차이점이 있다. 촉매 반응의 이슈를 시스템 차원의 해결책으로 극복할 수 있다는 것을 새 롭게 보여준 것이다. 연구진은 이번 성과가 촉매 표면에서 고정(poisoning) 현상이 발생하는 다양한 전기화학 반응에 응용될 수 있으며 전기 촉매의 안정성 문제를 해결하는 데 큰 도 움이 될 것으로 보고 있다. KIST 민병권 본부장은 “본 연구는 인공광합성 기술의 가장 어려운 숙제인 촉매 안정성 문제를 해결하기 위한 돌파구를 마련했다는 점에서 큰 파급력이 있다”고 연 구 성과를 밝혔다. 또한 영구적 안정성을 확보할 수 있는 방법론을 제시하 고 있기 때문에 연구 결과를 바탕으로 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 기술의 실질적인 상용화가 가능 해질 것이라고 기대하고 있으며, 생성된 포름산을 분리 하고 실제 에너지원으로 적용하기 위한 연계 과제들이 필요하다고 보고 있다. KIST는 지난 2016년부터 고난도 기술 난제 해결 및 세 계적 연구성과 창출을 위한 새로운 형태의 융합연구 프로그램인 ‘KIST Joint Research Lab’ 사업을 진행하 고 있다. 특히 그 중에서도 서울대-KIST Joint Research Lab은 우리나라 인공광합성 기술의 실용화 를 위한 허브가 될 것으로 기대된다. [그림 2] 서울대-KIST Joint Research Lab 심포지엄 < Energy News >