DGIST·캘리포니아공과대학교(Caltech), 태양광으로 CO₂를 메탄으로…광촉매 성능 65배 높였다

[대구=이데일리 홍석천 기자] 국내 연구진이 미국 캘리포니아공과대학교(Caltech)와 공동으로 태양광을 이용해 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 광촉매의 성능을 크게 높이는 데 성공했다.

DGIST는 에너지공학과 인수일 교수 연구팀이 캘리포니아공과대학교(Caltech) 윌리엄 고다드 교수 연구팀과 공동으로 서로 다른 역할을 하는 두 종류의 조촉매를 결합한 고효율 이산화탄소 전환 광촉매를 개발하고 작동 원리를 규명했다고 28일 밝혔다.

이번 연구는 이산화탄소를 단순히 포집하거나 감축하는 데서 나아가 연료와 화학원료로 다시 활용하는 탄소자원화 기술이라는 점에서 의미가 있다.

연구팀은 대표적 광촉매 소재인 이산화티타늄(TiO₂) 표면에 2차원 소재 몰리브덴셀레나이드(MoSe₂)와 백금(Pt) 나노입자를 결합한 ‘Pt/TiO₂-MoSe₂’ 삼원계 광촉매를 개발했다.

핵심은 두 조촉매가 각각 다른 역할을 맡도록 설계한 데 있다.

DGIST 에너지공학과 인수일(뒷줄 가운데) 교수 연구팀.(사진=DGIST)

MoSe₂는 이산화탄소 환원 반응이 일어나기 좋은 환경을 만들고, 백금 나노입자는 빛을 받아 생성된 전자를 빠르게 모아 반응에 활용하도록 돕는다. 이를 통해 광촉매 내부에서 생성된 전자의 손실을 줄이고 이산화탄소 환원 효율을 높였다.

특히 연구팀은 TiO₂와 MoSe₂가 맞닿는 계면을 정밀하게 조절해 전자가 지속적으로 이동하도록 만들었다.

원래 MoSe₂는 층상구조 특성상 쉽게 뭉치거나 변형돼 고활성 구조를 안정적으로 유지하기 어렵다. 연구팀은 계면 설계를 통해 높은 활성을 갖는 금속성 1T-MoSe₂ 구조를 안정화하는 데 성공했다.

새 광촉매는 집광형 반응기에서 메탄 생산량 17.81μmol/g을 기록했다. 이는 일반적인 광조사 조건보다 약 3배 높고, 기존 TiO₂ 광촉매와 비교하면 약 65배 향상된 성능이다.

연구팀은 실험과 이론 계산을 병행해 태양광이 집중되면서 광자 공급량이 증가하는 효과와 촉매 계면에서 전자가 효율적으로 이동하는 구조가 메탄 생산량을 높이는 핵심 원인임을 확인했다.

이산화탄소를 메탄으로 전환하는 과정은 여러 개의 전자가 동시에 관여하는 복잡한 환원반응인 만큼, 전자를 얼마나 안정적으로 공급하고 반응에 활용하느냐가 촉매 성능을 좌우한다.

이번 연구는 단순히 새로운 촉매 소재를 제시한 것을 넘어 이중 조촉매가 어떻게 역할을 분담해 다전자 환원반응의 효율을 높이는지를 규명했다는 점에서 주목된다.

인수일 DGIST 교수는 “이번 연구는 두 조촉매의 계면을 정밀하게 제어해 불안정한 고활성 1T-MoSe₂ 구조를 안정적으로 유지하고, 다전자 환원반응의 작동 원리를 규명했다는 데 의미가 있다”고 말했다.

이어 “향후 태양광으로 이산화탄소를 친환경 연료와 유용한 자원으로 전환하는 탄소자원화 기술 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 나노미래소재원천기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’에 게재됐다.