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가시광선으로 이산화탄소 제거하는 고효율 촉매 개발

‘이효영의 블루 이산화티타늄’, 기존 대비 일산화탄소 15배 생산

경제성을 대폭 높인 이산화탄소 제거 촉매가 나왔다. 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장이 가시광선을 이용해 이산화탄소를 산소와 일산화탄소로 변환하는 촉매를 개발했다. 가시광선으로 작용해 실내에서 사용할 수 있는데다, 연료로 변환 가능한 일산화탄소를 일반 촉매보다 200배, 기존의 가장 우수한 촉매보다 15배 많이 생산할 수 있어 수익성이 향상됐다.

가시광선으로 작동하는 ‘이효영의 블루 이산화티타늄’
▲ 가시광선으로 작동하는 ‘이효영의 블루 이산화티타늄’

‘이산화티타늄(TiO2)’ 은 한 해 500만 톤 이상 소비되어 자외선 차단제, 탈취·살균제 등에 쓰인다. 자외선을 흡수하면서 물과 이산화탄소를 메탄, 일산화탄소, 그리고 다량의 산소로 변환하는 촉매다. 부산물인 메탄과 일산화탄소로 연료·메탄올 등 유용한 화합물을 만들 수 있어, 이를 통해 생산 비용을 회수하는 이산화탄소 제거제를 개발하고자 지난 50년간 연구가 계속됐다. 특히 가시광선까지 흡수하는 가시광촉매는, 자외선만 흡수하는 기존 촉매보다 많은 에너지를 활용하면서 병원·지하철 등 실내에서 작동해 이산화탄소 촉매 연구의 핵심 과제로 여겨졌다.

연구진은 지난 9월 이산화티타늄의 일부 결정 구조를 변경해 가시광선으로 작동하는 촉매 ‘비결정아나타제-결정루타일 이산화티타늄’ 제조에 성공했다. 이산화티타늄은 분자구조에 따라 아나타제 결정과 루타일 결정 두 가지 상을 이룰 수 있는데, 혼합된 이산화티타늄 입자에서 아나타제만 골라 환원한 것이다. 가시광선으로 작용하는 이 촉매는 저자 이름을 따 ‘이효영의 블루 이산화티타늄’으로 이름 붙였다. 이번 연구에서는 ‘이효영의 블루 이산화티타늄’을 개선해 메탄 없이 일산화탄소만 생산하는 촉매를 개발하는 데 성공했다.

연구진은 촉매 효율을 향상시키기 위해 빛 흡수 시 생성되는 전하의 수와 이동성을 향상시키고자 실험을 고안했다. ‘이효영의 블루 이산화티타늄’에 다른 물질을 도핑해 불균일한 구조를 만들면, 전하 생성이 증가해 광효율이 향상될 것으로 예상했다. 도핑 재료로는 일산화탄소 발생률을 높일 수 있는 은과 텅스텐산화물을 도핑해 하이브리드 촉매를 만들었다.

이렇게 만들어진 하이브리드 촉매는 흡수된 빛 중 34.8%를 촉매 변환에 활용했는데, 이는 기존 촉매의 광효율보다 3배 높다. 또 이산화탄소-산소 변환 과정에서 메탄 없이 일산화탄소 한 가지만 발생해 응용이 쉬워졌다. 일산화탄소 양은 기존 이산화티타늄 촉매보다 200배, 학계에 보고된 가장 우수한 촉매보다 15배 많이 발생했다. 또 기존 이산화티타늄 공정이 고온·고압의 기체를 다뤄 위험성이 큰 데 비해 상온·상압에서 액체상으로 합성해 안전하다는 장점이 있다.

도핑에 따른 부산물 생산 효율. 가장 오른쪽이 이번에 개발한 촉매다
▲ 도핑에 따른 부산물 생산 효율. 가장 오른쪽이 이번에 개발한 촉매다

이효영 부연구단장은 “가시광선으로 작동하는 블루이산화티타늄 제조에 관한 원천기술을 확보하고 이를 이용해 새로운 가시광촉매를 개발했다”며 “이번에 개발한 촉매는 미세먼지와 병원 내 병원균 등을 제거하는 데에도 역시 우수한 성능을 보였다”고 밝혔다. “향후 다양한 연구분야에 적용돼 전세계에 전파될 것으로 기대된다.”

연구결과는 화학·재료분야 세계적인 권위지인 ‘머터리얼스 투데이(Materials Today)'지에 1월3일 온라인 게재됐다.

왼쪽부터 제1저자인 김자우 연수학생, 교신저자 이효영 부연구단장, 공동저자 황희민 연수학생
▲ 왼쪽부터 제1저자인 김자우 연수학생, 교신저자 이효영 부연구단장, 공동저자 황희민 연수학생

IBS 커뮤니케이션팀
최지원

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    최종수정일 2019-12-17 14:32