KIST 오형석·이웅희 박사팀과 경희대 유재수 교수팀, 12.1%의 태양광-화합물 전환효율 검증
가지형 은-촉매 합성 개요도 및 전자현미경 이미지/KIST 제공
한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀과 경희대 유재수 교수팀이 온실가스인 이산화탄소(CO₂)를 포집한 후 태양전지를 이용해 일산화탄소(CO)로 전환하는 고효율 인공광합성 기술을 개발했다.
연구팀은 높은 효율의 전기화학적 반응으로 일산화탄소를 얻을 수 있는 나노미터 수준 가지형(dendrite) 텅스텐-은 촉매 전극을 제작했다.
이를 이용한 CO₂전환시스템을 현재 사용되는 실리콘 태양전지와 결합해 태양광에서 구동할 수 있는 인공광합성 시스템을 만들었다.
태양광을 이용해 이산화탄소를 일산화탄소나 메탄올, 에탄올, 에틸렌 등 화학 산업의 원료 화합물로 전환하는 인공광합성은 꾸준하게 연구되고 있다.
문제는 경제성 및 기술적 한계로 실험실 수준이며 CO₂포집과 일산화탄소 전환 등에서도 많은 과제를 안고 있다.
연구팀은 기체 상태의 CO₂를 전기화학적 반응으로 일산화탄소로 바꾸는 전환시스템에 적용할 수 있는 고효율의 텅스텐-은 촉매를 먼저 개발했다.
탄소 기판에 텅스텐 원자를 도핑하고, 텅스텐 위에 은 나노입자를 3차원 나뭇가지 형태(dentrite)로 성장시킨 결과물이다.
가지형 은-촉매 전극의 이산화탄소 전환 시스템 및 인공광합성 장비 사진/KIST 제공
기존의 은 촉매보다 일산화탄소 생산 효율이 60% 이상 향상됐으며 100시간 동안 작동한 후에도 성능이 유지될 정도로 안정성도 높았다.
개발된 촉매를 이용해 CO₂전환시스템을 작동했다.
120㎠ 넓이의 실리콘 태양전지와 결합해 태양광 아래에서 실험을 시행했다.
생성물 중 일산화탄소 선택도는 평균 90% 이상, 일산화탄소 부분 전류밀도는 약 400㎃/㎠의 우수한 특성을 나타냈다.
이번 시스템은 현재까지 개발된 실리콘 태양전지 기반 인공광합성 시스템 중 가장 높은 수준인 12.1%의 태양광-화합물 전환효율을 보였다.
시스템을 대면적화해 실제 실외 환경에서 햇빛만으로 이산화탄소의 일산화탄소 고효율 전환을 보여준 것이라는 평가를 받고 있다.
오형석 박사는 “상용 실리콘 태양전지를 이용해 실제 환경에서 햇빛으로 직접 구동되는 인공광합성 시스템을 구축했다”고 밝혔다.
또 “이번 연구를 바탕으로 고효율 인공광합성 기술이 실용화되면 제철소와 석유화학 공장 등에서 발생하는 이산화탄소를 포집해 일산화탄소로 전환, 온실가스를 줄일 수 있다”며 “석유화학 공정에서 생산되는 기초 화합물들도 인공광합성을 통해 생산할 수 있을 것”이라고 설명했다.
이번 연구 결과는 에너지·환경 분야 국제저널 ‘응용 촉매 B : 환경(Applied Catalysis B: Environmental)’ 최신호에 게재됐다.
[저작권자ⓒ 에너지단열경제. 무단전재-재배포 금지]
