경북대·KAIST, 이산화탄소를 메탄으로 바꾸는 광촉매 개발

[대구=이데일리 홍석천 기자] 국내 연구진이 태양광과 촉매를 이용해 이산화탄소를 산업용 연료인 메탄으로 전환하는 광촉매의 내구성과 효율을 높였다. 실험실 규모의 연속 반응에서 100시간 이상 성능을 유지하면서 탄소 자원화 기술의 상용화 가능성을 한 단계 높였다는 평가다.

경북대는 나노신소재공학과 이용희 교수와 KAIST 생명화학공학과 정희태 교수 공동연구팀이 ‘3차원 소수성 맥신(F-3D MXene) 광촉매’를 개발했다고 18일 밝혔다. 연구에는 나노종합기술원과 사우디 아람코 연구진도 참여했다.

광촉매 기반 이산화탄소 전환 기술은 태양광 에너지로 이산화탄소를 메탄 등 화학연료로 바꾸는 방식이다. 탄소를 배출원에서 포집해 다시 연료나 원료로 사용하는 탄소포집·활용(CCU) 기술 가운데 하나다.

기존 광촉매는 반응 과정에서 생성물과 수분이 축적되거나 촉매가 산화되면서 활성이 빠르게 떨어졌다. 반응물 투입과 생성물 배출이 이어지는 연속 흐름 방식도 목표 물질인 메탄만 선택적으로 생산하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 종이처럼 얇은 2차원 소재인 맥신 나노시트 사이에 단일벽 탄소나노튜브를 결합했다. 나노시트가 서로 달라붙지 않고 아코디언처럼 펼쳐진 3차원 다공성 구조를 만들어 이산화탄소가 이동할 통로를 확보한 것이다.

경북대 나노신소재공학과 이용희 교수.(사진=경북대)

이 구조를 통해 촉매 반응 표면적은 기존보다 약 18배 넓어졌다. 맥신 산화 과정에서 형성된 이산화티타늄 나노입자와의 이종접합 구조도 태양광 에너지를 화학반응에 활용하는 효율을 높였다.

촉매 표면에는 불소 유기분자막을 입혔다. 반응 과정에서 발생한 수분이 촉매의 미세 기공을 막는 현상을 줄이고, 이산화탄소와 물에서 공급되는 수소 양성자, 고체 촉매가 만나는 반응 계면을 안정적으로 유지하기 위한 조치다.

연속 흐름 장치에서 시험한 결과 메탄 선택도는 기존 37%에서 73%로 높아졌다. 메탄 생산 속도는 촉매 1g당 시간당 119마이크로몰을 기록했다. 100시간 이상 연속 운전한 뒤에도 초기 성능의 90% 이상을 유지했다.

다만 이번 성과는 실험실 조건에서 촉매의 성능과 내구성을 확인한 단계다. 실제 산업공정에 적용하려면 대면적 촉매 생산과 장기 운전, 에너지 투입 대비 경제성, 포집한 이산화탄소의 불순물 대응 등을 추가로 검증해야 한다.

연구 결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 지난 3일 온라인 게재됐다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 사우디 아람코-KAIST CO₂관리센터, 나노종합기술원 등의 지원을 받아 수행됐다.