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Research

이산화탄소를 에너지로 만드는 고안정성 광촉매 개발

  • 조회. 381
  • 등록일. 2020.08.19
  • 작성자. 홍보팀

DGIST 인수일 교수 연구팀, 저가의 이산화티타늄과 산화구리를 혼합해 고안정성 광촉매 개발
이산화탄소 저감을 통한 기후변화 대응과 대체에너지 분야 응용 기대

 

인수일 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 교수이다.

 

 

  DGIST는 에너지공학전공 인수일 교수 연구팀이 이산화탄소를 메탄으로 전환해 에너지원으로 사용할 수 있는 환원된 이산화티타늄-산화구리(Reduced titania–Cu2O) 광촉매를 개발했다고 19일(수) 밝혔다. 이번 연구는 이산화탄소 저감을 통한 기후변화 대응과 대체에너지 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

 지난 5월 하와이 마우나로아 관측소에서 측정한 대기 중 이산화탄소의 농도는 471.1ppm으로 역대 최고 수치를 기록했다. 대기 중 이산화탄소는 이상기후를 일으키는 지구온난화의 가장 큰 원인이며, 주로 화석연료의 사용을 통해 대기 중으로 배출된다. 이를 해결하기 위해 이산화탄소를 에너지원으로 전환하기 위한 연구가 세계적으로 진행되고 있다. 

 이 중 인공광합성을 통해 에너지로 전환하는 광촉매 연구가 가장 주목받고 있다. 하지만 가장 일반적으로 연구되고 사용되는 이산화티타늄 광촉매는 큰 에너지 영역인 자외선만을 흡수하는 촉매 활성을 보이는 등 제약 조건이 많다. 이에 자연광에서 인공광합성 효율을 높이기 위한 촉매 성능이 매우 중요해 이에 대한 더 많은 연구가 필요한 실정이다.

 이에 DGIST 인수일 교수 연구팀은 자외선 뿐만 아니라 가시광 흡수가 우수한 환원된 이산화티타늄 주촉매1)와 산화구리 조촉매2)를 사용해 고안정성의 광촉매를 개발했다. 식물의 광합성 작용을 모사해 개발한 이번 광촉매는 산화구리 조촉매와 환원된 이산화티타늄 주촉매의 이형 구조(Heterostructure) 밴드 갭 구조로 설계했다. 조촉매로 사용된 산화구리는 이산화탄소 환원 반응에 더 많은 전자를 이동시켜 에너지 전환율을 더욱 높일 수 있었다. 이는 기존의 이산화티타늄 광촉매에 비해 자외선 뿐만 아니라 가시광선 영역의 빛을 흡수해 더 많은 태양광을 흡수할 수 있는 장점이 있다.

 연구팀은 실험을 통해 희석된 이산화탄소 조건에서 연구팀의 산화구리-이산화티타늄 촉매가 기존의 환원 이산화티타늄 촉매보다 10배 더 많은 양의 메탄을 생성하는 것을 확인했다. 또한 안정성 측정을 위해 특정 기체상 화합물의 함량 측정기인 가스 크로마토그래피(Gas chromatography)분석으로 42시간의 장기 운전에서도 우수한 안정성을 보임을 확인했다.

 DGIST 인수일 교수는 “이번 연구는 지구상에 풍부한 구리 금속을 이용한 조촉매를 사용해 낮은 가격에 높은 안정성을 확보했다는데 큰 의의가 있다"라며, "인류의 생존을 위협하는 기후변화에 대응하기 위해 후속 연구를 진행하겠다"고 밝혔다.

 이번 연구 결과는 촉매 분야의 저명한 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ 279호에 7월 16일 온라인 게재됐다.

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1) 주촉매(主觸媒) : 낮은 에너지상태를 화학적 반응으로 활성화시키는 주 물질

2) 조촉매(助觸媒) : 주촉매의 활성을 높이거나 촉매에 의해 일어나는 반응을 변화시키기 위해 첨가하는 물질

 

 

   연구결과개요 

Sustained, photocatalytic CO2 reduction to CH4 in a continuous flow reactor by earth–abundant materials: Reduced titania–Cu2O Z–scheme heterostructures
Shahzad Ali, Junho Lee, Hwapyong Kim, Yunju Hwang, Abdul Razzaq, Jin–Woo Jung, Chang–Hee Cho, and Su–il In*
(Applied Catalysis B: Environmental, published on 16th July 2020)

 

이산화탄소와 물을 탄화수소 연료로 전환하는 광촉매 연구는 온실가스 배출량을 줄이며 태양 에너지를 저장하는 유망한 접근 방법이다. 그러나 이를 실제로 이용하기 위해서는 낮은 전환 효율, 낮은 안정성과 높은 비용 등의 여러 문제를 해결해야만 한다. 본 연구팀은 Cu2O 조촉매와 환원된 이산화티타늄 촉매를 이용하여 Z-scheme 전자 전달 구조의 촉매를 개발하여 안정적이고 저렴한 광촉매를 합성하였다. 개발한 촉매의 Z-scheme의 전자 전달 구조로 인해 구리 조촉매의 광부식을 막고, 전자-정공의 재결합을 억제하여, 높은 효율과 안정성을 보인다고 밝혔다. 최적화된 촉매는 희석된 CO2에서 0.13%의 전환효율을 보였으며, 42시간(7회)의 동안 안정적인 전환효율로 우수한 안정성을 확인하였다. DOI 10.1016/j.apcatb.2020.119344

 

   연구성과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존의 이산화티타늄 광촉매는 낮은 효율과 지속적이지 못한 안정성 등의 부분에서 한계를 보인다. 본 연구에서는 이산화티타늄 광촉매를 환원 시켜 밴드 갭을 줄이고, 산화구리 물질을 조촉매로 활용하여 장기적으로 운전 가능한 광촉매를 개발하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

지구 온난화 주범인 이산화탄소를 고부가가치 탄화수소 연료로 자원화 할 수 있다. 따라서 지구 온난화와 에너지 고갈 2가지 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 유망 기술이다.

Q. 실용화를 위한 과제는?

광촉매의 효율 향상을 위한 후속 연구를 진행하고 있으며 실용화를 위하여 실제 대기 중의 이산화탄소 농도와 같은 조건에서의 전환 등을 연구하고자 한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

지구온난화 문제와 에너지 고갈 문제는 과학자가 짊어져야 할 인류의 과제라고 생각하였다. 높은 효율의 광촉매를 개발은 이산화탄소의 저감뿐만 아니라 에너지 생산을 통해 이러한 문제를 해결 할 수 있으리라 생각하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

이산화탄소 환원 광촉매 분야에서 문제 해결을 위해 위한 방향을 제시한 것에 큰 의미가 있다고 생각한다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

장기적인 안정성은 실용화를 위해서는 중요하지만 높은 효율 또한 필수적이다. 본 촉매에 대한 지속적인 후속 연구를 통해 이산화탄소 환원 촉매가 상용화되고 기후변화 대응에 기여하고 싶다.


 
   그림 설명 

[그림 1] 연구팀이 개발한 환원된 이산화티타늄-산화구리(RT-Cu2O) 광촉매 반응모식도

 

 
(그림설명) 
본 연구팀이 개발한 광촉매의 반응 메커니즘을 표현한 모식도이다. 광 에너지를 흡수한 Cu2O와 RT의 밴드 갭과 각각의 물질에서 만들어진 전자와 정공의 흐름을 표현한 이미지이다.
 
 

[그림 2] 42시간 장기 운전 실험 데이터 그래프
 
(그림설명) 
본 연구팀이 개발한 광촉매의 안정성 실험의 데이터이다. 42시간의 연속적인 실험으로 촉매의 안정적인 메탄 생산을 확인하였다.
 
 

 
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