국내 연구진이 이산화탄소를 천연가스로 전환시킬 수 있는 광촉매 기술을 개발했다.
대구과학기술원(DGIST) 에너지공학과 인수일 교수팀은 이산화탄소(CO2)를 천연가스(메탄, CH4)로 전환하는 고효율 광촉매를 개발했다고 29일 밝혔다. 광촉매 기술은 이산화탄소를 유용한 물질로 변환시키는 기술로, 태양광 에너지와 물만 활용해 이산화탄소를 천연가스로 전환할 수 있다.
연구팀은 이산화탄소를 천연자원으로 전환하면서 동시에 효율도 높일 수 있도록 가시광과 적외선을 잘 흡수할 수 있는 '카드뮴 셀레나이드'와 광촉매 재료로 잘 알려진 금속산화물 '이산화티타늄'을 결합했다.
기존에는 분석을 쉽게 하기 위해 격자 구조의 주기성을 가지고 있는 결정질 이산화티타늄을 활용했다. 하지만 규칙적인 입자 배열로 인해 타이타늄 3가 양이온(Ti3+) 활성점의 형성하는데 한계가 존재했다.
이에 연구팀은 불규칙한 입자배열로 타이타늄 3가 양이온(Ti3+) 활성점을 더 많이 형성할 수 있는 비정질의 이산화티타늄을 활용해 촉매 반응을 향상시켰다.
연구팀은 향상된 촉매 반응 외에도 전하의 안정적 전달로 반응에 참여할 수 있는 전자가 충분히 공급돼 이산화탄소가 탄소화합물, 특히 메탄연료로 전환되는 과정이 보다 쉽게 이뤄졌다고 설명했다. 또 고온에서의 재생 공정이 필요한 일반 광촉매와 달리, 비정질 촉매는 가열없이 반응기에 산소를 공급하면 1분 내로 재생할 수 있다.
개발된 '비정질 구조의 이산화티타늄-카드뮴 셀레나이드 광촉매(TiO2-CdSe)'는 18시간 광반응 이후, 초기 6시간동안 메탄 전환 성능을 99.3% 유지했다. 이는 동일한 조성의 '결정질 광촉매 (C-TiO2-CdSe)' 대비 재생력이 4.22배 높은 수준이다.
DGIST 인수일 교수는 "이번 연구는 재생력이 있는 활성점을 보유한 촉매를 개발하고 이산화탄소가 비정질 촉매에서 메탄으로 전환되는 메커니즘을 규명했다는 점에서 큰 의미가 있다"며 "향후 기술 상용화를 위한 후속 연구를 수행하겠다"고 말했다.
이번 연구결과는 에너지·환경 분야의 저명한 국제학술지 'Applied Catalysis B: Environment and Energy'에 게재됐다.
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