물과 태양광만으로 이산화탄소를 유용연료로 바꾼다 - 연구성과 - 연구

연구

연구성과

- IBS 나노입자 연구단, 이산화탄소와 물로 탄화수소 생산하는 광촉매 개발 -

온실가스 감축을 위한 탄소중립 정책이 세계적으로 본격화되는 가운데, 국내 연구진이 별도의 화합물 첨가 없이 물과 빛만으로 이산화탄소를 유용한 연료로 전환할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 현택환 나노입자 연구단장(서울대 석좌교수) 연구팀은 인수일 DGIST 교수팀, 김형준 KAIST 교수팀과 공동으로 이산화탄소를 메탄․에탄 같은 유용한 탄화수소 에너지로 전환하는 광촉매를 개발하고, 그 작동 원리를 규명했다.

광촉매(photocatalyst)는 태양광 에너지를 화학연료로 직접 전환할 수 있는 친환경 시스템이다. IBS 나노입자 연구단은 선행 연구에서 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 위에 구리 원자를 올린 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 개발하고, 태양광과 물로 수소를 생산하는 데 성공한 바 있다(Nature Materials, 2019). 당시 개발된 촉매는 값비싼 귀금속을 사용하지 않고도, 촉매의 성능을 수십 배 이상 향상시켜 주목을 받았다.

이번 연구에서는 더 나아가 단원자 구리/이산화티타늄 광촉매가 이산화탄소와 원자 단위에서 상호작용하는 메커니즘을 규명하고, 이를 바탕으로 태양광과 물만 이용하여 이산화탄소를 화학연료로 전환시키는 촉매 개발에 성공했다.

우선 연구진은 안정화된 구리 원자와 이산화티타늄 광촉매 사이에서 일어나는 금속-지지체 상호작용(Metal-Support Interaction)에 주목했다. 금속-지지체 상호작용은 지지체와 그 위에 올려진 금속촉매 사이에서 일어나는 화학작용을 말한다. 촉매의 활성을 높이기 위한 필수 요소지만, 원자 단위의 정밀한 조정이 어려웠다.

연구진은 금속-지지체 상호작용을 원자 단위에서 조절하면 이산화탄소가 효과적으로 전환될 수 있는 활성점(active site)이 생긴다는 사실을 발견하고, 이에 기반하여 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 설계했다. 이렇게 최적화된 광촉매는 기존 이산화티타늄 광촉매에 비해 60배 이상 높아진 효율로 이산화탄소를 메탄, 에탄과 같은 탄화수소 연료로 전환시킬 수 있었다.

공동교신저자인 인수일 DGIST 교수는 “이번 연구의 결과는 이산화티타늄 광촉매뿐만 아니라 다른 여러 종류의 광촉매의 성능을 향상시키는 데 전반적으로 적용할 수 있다”며 “이산화탄소 광전환 메커니즘을 다양한 광합성 촉매에 적용하기 위한 후속 연구를 진행할 예정”이라고 설명했다.

현택환 단장은 “탄소중립 사회를 위해서는 탄소 사용을 줄이는 동시에 배출된 이산화탄소를 다시 화학연료로 바꾸는 과정이 필요하다”며 “추가 연구를 진행한다면 광촉매를 이용해 이산화탄소를 에탄올, 프로판올 등 더 고부가가치의 화학물질로 전환시키는 것도 가능할 것”이라고 말했다.

연구결과는 에너지 환경과학 분야 세계적 권위지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science, IF 38.532)’ 9월 20일자(한국시간) 온라인 판에 게재됐다.

[연구 추가 설명]

연구 추가 설명 : 논문명(저널), 저자정보, 연구이야기를 제공하는 표
논문명(저널)	Electronic interaction between transition metal single-atoms and anatase TiO₂ boosts CO₂ photoreduction with H₂O Energy & Environmental Science
저자정보	Byoung-Hoon Lee,‡ Eunhee Gong,‡ Minho Kim,‡ Sunghak Park, Hye Rim Kim, Junho Lee, Euiyeon Jung, Chan Woo Lee, Jinsol Bok, Yoon Jung, Young Seong Kim, Kug-Seung Lee, Sung-Pyo Cho, Jin-Woo Jung, Chang-Hee Cho, Sébastien Lebègue, Ki Tae Nam, Hyungjun Kim,* Su-Il In,* Taeghwan Hyeon*
연구이야기	[연구배경] 불균질 광촉매(Heterogeneous Photocatalyst)는 태양에너지를 신재생 연료로 변환시킬 수 있는 매력적인 시스템이다. 특히 이산화티타늄 광촉매는 광촉매시장의 90% 이상의 수요를 차지하고 있는데, 원자 수준의 광촉매 메커니즘이 이해되지 않아 높은 효율을 위해선 비싼 귀금속 촉매가 필수 불가결해 왔다. 이와는 다르게 자연계에서는 지구상에 풍부한 원소들만을 이용해 태양빛으로 이산화탄소를 효율적으로 에너지원으로 전환시킨다. 이러한 효율적인 광합성의 기저에는 오랜기간동안 원자수준으로 정교하게 디자인된 반응메커니즘이 있다. 본 연구에서는 이산화티타늄 광촉매와 이산화탄소 사이의 원자 수준의 광촉매 메커니즘을 밝히고 이를 이용하여 귀금속 촉매 없이 태양빛과 물만으로 이산화탄소를 탄화수소로 전환시킬 수 있었다. [연구내용] 이산화티타늄 광촉매가 이산화탄소와 원자단위에서 상호작용하는 메커니즘을 규명하고 이를 바탕으로 이산화탄소를 태양빛과 물만 이용하여 화학연료로 효율적으로 전환시키는 촉매 개발에 성공했다. 연구진은 안정화된 구리원자와 이산화티타늄 광촉매 사이에서 일어나는 금속-담지체 상호작용(Metal-Support Interaction)에 주목했다. 금속-담지체 상호작용은 담지체와 그 위에 담지된 금속촉매 사이에서 일어나는 화학작용으로 촉매활성을 높이기 위한 필수 요소이지만 분자단위의 정밀한 조절이 어려웠다. 연구진은 금속-담지체 상호작용을 원자단위에서 조절하면 이산화탄소가 효과적으로 전환될 수 있는 활성점(active site)이 생긴다는 사실을 발견하였다. 이를 이용해 최적화된 광촉매는 기존 이산화티타늄 광촉매에 비해 60배 이상의 효율로 이산화탄소를 메탄, 에탄과 같은 탄화수소 연료로 전환시킬 수 있었다. 특히 연구진이 개발한 방법은 이산화티타늄 광촉매에만 국한되지 않고 여러 다른 종류의 광촉매 더 나아가서는 다른 촉매분야에도 적용이 가능할 것으로 보인다. [향후 연구계획] 연구진은 본 연구에서 발견한 이산화탄소 광전환 메커니즘이 다양한 광합성 촉매로 적용되길 기대하고 있다. 이처럼 광전환 메커니즘을 원자단위에서 이해하고 정복하게 된다면, 탄소중립(carbon net-zero) 사회에 한발 더 나아갈 것으로 전망하며 현재 촉매로 생산할 수 있는 메탄이나 에탄보다 고부가가치를 지니는 연료(예시: 에탄올, 프로필렌 등)를 생산할 수 있는 방법 개발에 착수할 예정이다.

[그림설명]

[그림1] 태양빛과 물만으로 이산화탄소를 탄화수소로 전환시키는 이산화티타늄 촉매 메커니즘

이산화티타늄 광촉매에 구리원자를 단일 원자 상태로 안정화시키면 구리원자가 이산화티타늄과 상호작용하여 이산화탄소가 효과적으로 반응할 수 있는 활성점(active site)을 만들게 된다. 또한 구리원자는 이산화티타늄으로부터 광여기 전자(photoexcited electron)를 받아 이산화탄소에 넘겨줌으로써 태양빛과 물만으로 이산화탄소를 화학연료인 탄화수소로 전환시킬 수 있다.

* 출처 : 기초과학연구원(IBS)