▲ (a)연구팀이 개발한 광촉매의 합성 조건에 따른 색 변화. (b)개발한 광촉매가 높은 메탄, 에탄 생성 효율을 나타내고 있다. (c)메탄, 에탄이 선택적으로 전환되는 메커니즘

국내 연구진이 그래핀을 씌운 이산화티타늄로 만든 광촉매가 기존에는 할 수 없었던 메탄, 에탄 등 선택적 이산화탄소(CO2) 전환에 성공했다.

DGIST(총장 손상혁)는 인수일 에너지공학전공 교수 연구팀이 이산화탄소를 메탄이나 에탄처럼 활용 가능한 에너지로 선택해 전환할 수 있는 광촉매를 개발하는데 성공했다고 지난 6일 밝혔다.

환경 문제와 미래 연료생산 문제 해결을 위해 이산화탄소와 물을 탄화수소계 연료로 전환하는데 필수인 광촉매에 대한 연구가 각광받고 있다.

광촉매 연구에서 주로 밴드갭이 큰 반도체 물질을 많이 사용하고 있으나 다양한 영역의 태양에너지를 흡수하는데 제한적이다.

이에 태양에너지 흡수 영역을 증가시키기 위한 광촉매 구조 및 표면을 개선하거나, 전자의 전달이 우수한 2차원 소재를 활용하는 광촉매 연구가 진행 중이다.

인수일 교수 연구팀은 안정적이고 효율적인 방법으로 환원된 이산화티타늄에 그래핀을 씌워 이산화탄소를 메탄(CH4)이나 에탄(C2H6)으로 전환할 수 있는 고효율 광촉매를 개발했다.

연구팀이 개발한 광촉매는 기체상에서 이산화탄소를 선택적으로 메탄과 에탄으로 전환할 수 있으며, 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 효율이다.

또한, 연구팀은 영국 임페리얼칼리지런던 화학과 제임스 듀란트 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 DGIST 에너지공학전공 교수는 “이번에 개발한 그래핀을 씌운 환원된 이산화티타늄 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.

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