한국과학기술연구원이 고성능의 텅스텐·은 촉매 전극 개발과 실리콘 태양전지를 이용해 인공광합성 시스템을 제작해 향후 탄소중립 실현에 기여할 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 고효율로 일산화탄소를 얻을 수 있는 텅스텐-은 촉매 전극을 개발하고, 실제 태양광에서 구동 가능한 대규모 인공광합성 시스템을 제작했다고 29일 밝혔다.

이번 기술개발사업은 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터의 오형석, 이웅희 박사 연구팀과 경희대학교(총장 한균태) 유재수 교수팀이 함께 했다.

KIST 연구진은 기상 이산화탄소 전환 일산화탄소 생성 시스템에 적용할 수 있는 새로운 텅스텐-은 촉매를 개발했다. 해당 촉매는 나노미터 크기의 가지 모양으로 기존 촉매에 비해 60% 이상 향상된 일산화탄소 생산 효율을 보였으며, 100시간 동안의 시험에도 안정적이었다.

또한 촉매 소재 관점에서 개발된 가지형의 텅스텐-은 촉매의 성능과 내구성이 개선된 원인을 전자현미경, 실시간 분석법 등을 통해 촉매의 3차원 구조와 가지 모양의 결정구조 덕분에 높은 효율을 보임을 밝혀냈다.

연구진은 촉매 개발에서 한 단계 더 나아가 해당 촉매를 이용한 이산화탄소 전환 시스템을 120㎠ 크기의 실리콘 태양전지와 결합해 인공광합성 시스템을 개발했으며 상용화된 태양전지에 연결해도 무리 없이 사용가능하다.

해당 시스템은 현재까지 개발된 실리콘 태양전지 기반 인공광합성 시스템 중 가장 높은 수준인 12.1%의 높은 태양광-화합물 전환효율을 보였으며, 실험실이 아닌 실제 실외 환경에서 햇빛만으로 이산화탄소를 일산화탄소로 고효율로 전환하는 데 성공했다.

KIST 오형석 박사는 “상용 실리콘 태양전지를 이용해 실제 환경에서 햇빛으로 직접 구동되는 진정한 의미의 인공광합성 시스템을 구축했다”며 “본 연구를 바탕으로 고효율 인공광합성 기술이 실용화된다면, 제철소와 석유화학 공장 등에서 발생하는 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하여 온실가스를 저감할 수 있으며, 석유화학 공정에서 생산되는 기초 화합물들을 ‘탄소중립’이 실현된 인공광합성 방법을 통해 생산할 수 있다”라고 말했다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 「Applied Catalysis B: Environmental」 (IF: 16.683, JCR 분야 상위 0.943%) 최신 호에 게재됐다.