손호진 교수팀, 태양광 이용한 이산화탄소 전환기술 개발

 화학분야 국제학술지 에이시에스 카탈리시스 논문 게재
 

▲ 왼쪽부터 신소재화학과 손호진 교수, 정하연 연구원(공동저자), 최성한 연구원(공동저자)

과학기술대학 신소재화학과 손호진 교수 연구팀이 태양광 에너지 중에서 적색 빛을 이용하여 이산화탄소를 합성연료로 전환시킬 수 있는 기술을 개발했다.

이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 가장 큰 원인으로 지목된다. 구조적으로 매우 안정하기 때문에 다른 물질로 쉽게 전환되지 않는다. 이산화탄소로 인한 환경문제를 극복하기 위하여 이를 전환시키려는 기술개발 연구가 대두되고 있다.

그러나 현재 기술은 고가의 전기‧열에너지를 투입하여 이산화탄소를 분해하는 수준으로, 광범위하게 활용되기 어렵다. 인공광합성을 통한 이산화탄소 전환 연구에서도 촉매효율이 낮고 전환반응이 안정적이지 못한 한계가 있다.

연구팀은 고효율 태양광 포집기술을 적용하여 이산화탄소 전환용 광촉매를 개발했다. 이를 통해 이산화탄소가 일산화탄소 중간물질로 전환됨으로서 사용가능한 합성연료가 생성된다. 연구팀은 식물이 광합성 할 때 빛을 포집하는 클로로필과 유사한 포피린* 염료를 활용했다. 포피린은 태양광에 장시간 노출되면 쉽게 분해되지만, 여기에 산화물반도체를 결합시겨서 광안정성을 획기적으로 개선시켰다. 포피린만으로 구성된 광촉매보다 전환효율이 10~20배 향상되고, 4일 이상 장기 연속 공정에서도 촉매반응이 지속됐다.
* 포피린 : 식물의 엽록소에서 발견되는 화합물로, 태양전지 등 다양한 분야에 활용됨.

특히 포피린은 가시광선 중에서도 파장이 길고 에너지가 낮은 적색 빛도 잘 흡수할 수 있다. 태양광 발전에서 사용되지 않고 버려지던 적색 빛으로 광에너지를 포집함으로서 안정적으로 이산화탄소 환원 반응을 유도할 수 있다.

손호진 교수는 “향후 개발된 광촉매는 대용량 이산화탄소 전환에 적용이 가능하여 기후변화대응 환경산업 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 교육부‧한국연구재단 대학중점연구소지원사업, 이공학 개인기초연구지원사업, 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 화학분야 국제학술지 에이시에스 카탈리시스(ACS Catalysis) 1월 9일에 게재됐다.

- 논문명 : Development of Lower-Energy Photosensitizer for Photocatalytic CO2 Reduction: Modification of Porphyrin Dye in Hybrid Catalyst System
- 저  자 : 손호진 교수(교신저자, 고려대학교), 정하연(공동저자, 고려대학교), 최성한 (공동저자, 고려대학교)

[ 용 어 설 명 ]

1. ACS 카탈리시스 (ACS Catalysis)
  ○ 화학 촉매 분야에서 최고의 권위를 가지고 있는 저널이다. 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수(impact factor) 10.614를 가지고 있다. 

2. 이산화탄소
  ○ 산업혁명시기를 거쳐 현재 산업전반에 걸쳐 탄소자원의 무제한 사용에 따른 산업폐기물이 이산화탄소이다. 이 물질은 매우 안정하여 외부의 에너지 공급 없이는 전환이 어려운 물질이다.

3. 인공광합성
  ○ 자연계는 태양광을 활용하여 높은 효율과 선택성으로 이산화탄소를 에너지물질로 전환시키고 있다. 이 과정을 인공광합성이라 일컫는다.

4. 하이브리드 광촉매
  ○ 유기물질과 무기물질로 이루어져있으며, 각각의 특성의 장점을 극대화한 조직화된 나노 소재이다.

5. 삼성분계
  ○ 3가지 다른 성분을 하나로 집합시켜 각각의 성분들이 유기적으로 연결되어 시너지 효과를 유도하는 기술이다. 

6. 피셔-트롭쉬 합성 반응 (Fischer-Tropsch synthesis reaction)
  ○ 합성가스로부터 고부가 가치의 탄화수소를 직접 합성하는 반응으로써, 다양한 탄소수 분포를 가지는 탄화수소 이외에도 메탄올과 에탄올과 같은 알코올을 얻을 수 있다는 점에서 장점을 가지고 있다.

[ 그 림 설 명 ]               

(그림1) 포피린 염료가 화학적으로 담지화된 삼성분계 (포피린-이산화티탄-Re촉매) 하이브리드 촉매를 통한 고효율 장수명 이산화탄소 환원
기존 균일계 포피린 기반 광촉매의 전반적으로 낮은 광안정성으로 인하여 촉매효율이 초기에 저하되는 문제를 가지고 있었지만 이러한 문제점을 화학적 담지화 및 낮은 에너지의 빛을 사용하는 것을 통하여 포피린 염료가 광촉매 시스템에서 안정적으로 구동되도록 하였음. 그 내구성을 100시간 이상으로 유지시켰으며 광촉매 효율의 경우 최대 1000이상의 TON값을 보여줌.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)