온실가스를 메탄ㆍ에탄 원하는대로 바꾼다

디지스트 인수일 교수 연구팀

CO2를 메탄ㆍ에탄으로 바꿔주는

이산화티타늄에 그래핀 씌워 개발

온실가스 저감기술 개발 기여

대구경북과학기술원(DGIST, 디지스트) 에너지공학전공 인수일 교수.

폭염 등 지구온난화를 유발하는 온실가스인 이산화탄소(CO2). 이산화탄소를 태양광 에너지를 이용해 도시가스로 주로 쓰이는 천연가스 등에 많이 포함된 메탄이나 에탄으로 선택적으로 전환할 수 있게 해 주는 광촉매가 대구경북과학기술원(DGIST, 디지스트) 에너지공학전공 인수일(사진) 교수 연구팀에 의해 개발됐다. 기존 촉매보다 효율도 높아 상용화에 성공하면 온실가스인 이산화탄소를 효과적으로 줄이면서 동시에 화석연료를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

인 교수 연구팀에 따르면 광촉매 연구에서 주로 밴드갭이 큰 반도체 물질을 많이 사용하고 있으나 다양한 영역의 태양에너지를 흡수하는데 제한적이다. 보다 많은 태양에너지를 흡수할 수 있도록 광촉매 구조와 표면을 개선하거나, 전자의 전달이 우수한 2차원 소재를 활용하는 광촉매 연구가 진행 중이다.

인 교수 연구팀은 안정적이고 효율적인 방법으로 환원된 이산화티타늄에 그래핀을 씌워 이산화탄소를 메탄(CH4)이나 에탄(C2H6)으로 전환할 수 있는 고효율 광촉매를 개발했다. 그래핀은 흑연을 원료로 해 만든 원자크기의 벌집형태 구조를 가진 소재를 말한다.

연구팀이 개발한 광촉매는 기체상에서 이산화탄소를 선택적으로 메탄과 에탄으로 전환할 수 있다. 메탄 및 에탄 생성량이 각각 259umol/g, 77umol/g을 나타내며 기존의 환원된 이산화티타늄 광촉매 보다 5.2%, 2.7% 높아진 전환율을 나타냈다. 에탄 생성량의 경우 비슷한 실험 조건에서 세계 최고 효율을 나타낸 결과다.

연구팀은 영국 임페리얼칼리지런던(ICL) 화학과 제임스 듀란트(James R. Durrant) 교수 연구팀과의 광전자분광학을 이용한 국제 공동연구를 통해 이산화티타늄과 그래핀 계면에서 보이는 밴드 굽힘 현상으로 인해 정공이 그래핀으로 움직인다는 사실을 최초로 증명했다.

연구팀이 개발한 촉매 물질은 태양광을 이용해 선택적으로 더 높은 차수의 탄화수소계 물질을 생성함으로써 향후 고부가가치 물질 생산 등 다양한 분야에 응용이 가능하고, 지구온난화 문제 및 에너지자원 고갈 문제 해결에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

인수일 교수는 "이번에 개발한 광촉매는 이산화탄소를 메탄이나 에탄과 같은 활용가능한 화학 물질로 선택적으로 생산할 수 있다는 장점이 있다”며 “상용화가 가능할 정도로 전환율을 높이는 후속 연구를 진행해 이산화탄소 저감 및 자원화 기술 발전에 기여하겠다”고 말했다. 또 "광촉매 합성에 사용되는 그래핀은 아직 대량생산이 어렵고 가격도 비싸 그래핀 대량생산 기술도 병행돼야 할 것"이라고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 & 인바이러멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 지난달 19일자 온라인판에 게재됐다.

정광진기자 kjcheong@hankookilbo.com