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Research

DGIST 연구팀, 이산화탄소를 에너지로 전환하는 고효율 광촉매 개발

  • 조회. 206
  • 등록일. 2019.05.26
  • 작성자. 홍보팀

DGIST 연구팀, 이산화탄소를 에너지로 전환하는 고효율 광촉매 개발
- 인수일 교수팀, 이산화탄소를 메탄과 에텐으로 전환하는 구리-백금 이산화티타늄 조합의 새로운 광촉매 개발
- 순간 최고 전환 효율 3.3%로, 높은 전환 효율 자랑해


 

DGIST(총장 국양)는 에너지공학전공 인수일 교수팀이 이산화탄소를 메탄과 에탄 연료로 전환하는 세계 최고 효율 광촉매를 개발했다고 26일(일) 밝혔다. 

지난 11일 하와이 마우나로아 관측소에서 측정된 대기 중 이산화탄소 농도는 415.26ppm으로 1958년 관측 이후 역대 최고치를 기록했다. 5월의 갑작스러운 폭염도 이와 무관하지 않다. 따라서 이번 연구는 이산화탄소 저감을 통한 기후변화 대응 및 대체 에너지 관련된 분야에서 크게 주목받고 있다.

기존의 광촉매는 촉매 표면에서 전자와 정공이 재결합하며 에너지 효율이 감소하거나, 에너지 생성에 필수적인 전자가 다른 물질로 전달되며 부산물이 형성되는 문제가 있었다. 따라서 전자와 정공의 재결합 방지와 전자 전달 효율 개선을 위해 주촉매1)의 반응을 도와주는 조촉매2)에 대한 연구가 현재 활발하다.

인수일 교수팀은 구리-백금 합금의 조촉매가 부착된 고효율 광촉매를 개발했다. 개발된 광촉매는 전자 전달 효율이 좋은 백금 위에 이산화탄소가 잘 흡착되는 구리가 결합된 합금을 주촉매인 이산화티타늄 위에 올린 구조로 빛에 의해 생성된 전자가 백금을 통해 구리 입자로 전달된다. 이 때 대기 중 이산화탄소가 구리 입자 표면에 흡착되고, 표면에 있던 전자와 반응해 에너지로 사용가능한 메탄과 에탄 가스가 탄생하게 된다.

인수일 교수팀은 이산화탄소 에너지 전환을 위한 촉매 개발과 전환 효율 연구를 꾸준하게 진행하고 있다. 이번에 개발한 광촉매는 순간 최고 전환 효율이 3.3%에 달할 만큼 우수해 향후 지구 온난화 및 에너지 고갈 문제 해결에 기여할 수 있는 산업 기술 개발에 적용될 것으로 기대된다.

DGIST 에너지공학전공 인수일 교수는 “현재 구리-백금 조촉매를 이용한 광촉매는 전환 효율이 높고, 합성 공정이 비교적 간단해 향후 상용화에 매우 유리하다”며 “더 높은 전환효율을 보이는 후속 연구를 진행해 상용화를 앞당기겠다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구 결과는 관련 분야 저널인 에너지&인바이러멘털 사이언스(Energy & Environmental Science, IF=30.067) 온라인판에 게재됐다. 

1) 주촉매: 물질의 화학적 반응을 원천적으로 낮은 에너지상태에서 활성화시키는 물질
2) 조촉매: 물질의 화학적 반응을 돕는 주촉매의 작용을 도와주는 물질

 

 연구결과개요 

CO2, water, and sunlight to hydrocarbon fuels: a sustained sunlight to fuel (Joule-to-Joule) photoconversion efficiency of 1%
 Saurav Sorcar, Yunju Hwang, Jaewoong Lee, Hwapyong Kim, Keltin M. Grimes, Craig A. Grimes, Jin-Woo Jung, Chang-Hee Cho, Tetsuro Majima,
Michael R. Hoffmann and Su-Il In*  
(Energy & Environmental Science, online published on May 26th ,2019) 

 

 광촉매는 태양빛을 받아 지구 온난화 주범인 이산화탄소를 메탄, 에탄과 같은 탄화수소계 연료로 전환하여 지구 온난화 문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 친환경 소재이다. 최근 광촉매를 활용하여 메탄 분자 합성에서 더 나아가 합성된 메탄으로부터 에탄, 프로판 등 탄소가 두 개 이상인 고부가가치 연료를 생산하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구팀은 백금 위에 구리가 결합된 합금 조촉매를 환원된 이산화티타늄 위에 올린 광촉매를 개발하여 메탄뿐만 아니라 에탄을 효율적으로 생산했다.
   연구팀에서 개발한 환원된 이산화티타늄이 빛 에너지를 받으면 전자는 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 이동한다. 백금 나노 입자의 에너지 준위(페르미 레벨)는 환원된 이산화티타늄 보다 낮아 전자는 백금 입자로 이동하고 이어서 백금에 축적된 전자가 구리 입자로 이동하여 촉매 반응을 일으킨다. 구리 입자의 표면은 염기성을 띠기 때문에 산성을 띠는 이산화탄소를 잘 흡착할 수 있다. 따라서 연구팀이 개발한 광촉매에서 전자가 효과적으로 이산화탄소에 전달되고 라디칼 반응을 통해 메탄과 에탄 같은 연료로 빠르게 전환된다. 
 연속적인 광반응 실험으로 6시간 동안 메탄 및 에탄 생성량이 각각 3.0 mmol/g, 0.15 mmol/g을 보였고 최대 광전환 효율이 3.3%를 나타냈다. 또한, 13CO2를 사용해 탄소의 출처를 확인했으며 60시간 동안 촉매의 안정성을 확인했다.


 연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존 광촉매의 경우, 광전환 효율이 1%에 미치지 못했으며 메탄 생성 능력이 낮아 상용화를 기대하기 어려웠다. 이번에 개발된 구리-백금 합금 조촉매가 부착된 이산화티타늄 광촉매는 메탄 생성률이 기존 광촉매보다 월등히 높으며 간단하게 합성할 수 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
지구 온난화 주범인 이산화탄소를 고부가가치 탄화수소 연료로 자원화할 수 있다. 따라서 지구 온난화와 에너지 고갈 2가지 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 유망 기술이다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
백금 비율을 낮추고 상대적으로 가격이 저렴한 구리 비율을 높여 광촉매를 개발했다. 따라서 기존의 광촉매보다 경제성을 확보함과 동시에 성능이 배가됐다. 하지만 최고 광전환 효율을 지속할 수 있는 시간이 제한적이다. 따라서 최고 광전환 효율을 지속할 수 있는 연구가 진행돼야 한다. 

Q. 연구를 시작한 계기는?
선행 연구에서 그래핀을 이용하여 광촉매 성능을 개선했지만 그래핀은 대량 생산이 어려워 다른 소재의 광촉매 개발이 필요하다고 생각했다. 그러던 중, 이산화탄소 흡착 능력이 좋은 구리 입자를 접목하려는 아이디어가 떠올랐고 구리-백금 합금 조촉매를 접목한 광촉매를 개발했다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
선행 연구 대비 비교적 간단하게 광촉매를 합성할 수 있는 공정을 개발했고 의도한 방향으로 연구가 진행되어 높은 이산화탄소 광전환 효율을 보였다. 효율 면에서 세계적인 수준이며, 광촉매 상용화 직전 단계까지 도달했다고 생각한다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
최근 이산화탄소 농도가 최고치에 도달하여 지구 온난화 문제가 다시 한번 사회에 이슈화되고 있다. 특히, 우리나라 정부도 2030~40년 총 탄소 배출량을 ‘0’으로 한 탄소제로 사회를 목표로 하고 있다. 탄소제로 사회 실현을 위한 탄소 포집 및 자원화 연구가 필수적이며 국가 단위 연구가 진행 중이다. 이에 발맞춰 연구를 진행해 국가과학 발전 및 환경 보전에 기여하고 싶다.


 그림설명 
[그림 1] 연구팀이 개발한 구리-백금 합금 조촉매가 부착된 환원된 이산화티타늄 광촉매의 연료 생산 효율과 고분해능 투과전자현미경(HRTEM)으로 측정한 광촉매 사진


(a) 연구팀이 개발한 광촉매(Cu1.00%-Pt0.35%-BT)의 광전환 효율
(b) 고분해능 투과전자현미경(HRTEM)으로 측정한 광촉매 사진

 

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