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KIST, 은대체할 인공광합성용 탄소나노튜브 촉매 개발성능은 수백배 개선...상용화까지는 시간 걸릴듯
그림 위 왼쪽부터 시계 방향으로 △태양광과 연계한 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 계략도△질소 원소가 함유된 탄소나노튜브 촉매 모식도 △탄소 촉매의 수돗물 환경 내에서의 120시간 안정한 이산화탄소 전환 성능을 나타낸 그래프.은촉매보다 패러데이 효율이 월등히 높다.(그래픽 제공 KIST)

[취재]인공 광합성을 일반 수돗물 환경에서도 효율적으로 구현할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

상용화까지는 많은 시간과 연구가 더 필요하지만, 실험실 환경에서 연구하던 것에 비하면 획기적인 성과다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 국가기반기술연구본부 민병권 박사 연구팀(황윤정‧원다혜 박사)이 고도로 정제된 실험실 환경에서 벗어나, 실제 환경에서도 장시간 안정적으로 구현되는 저가형 전기화학 인공광합성 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

인공광합성 기술은 태양 빛을 에너지원으로 물을 분해하고 이산화탄소를 환원해 유기물을 만드는 반응인 광합성을 인위적으로 수행하는 꿈의 기술이다. 이를 통해 연료나 화학제품, 식량 등을 자연보다 훨씬 빠르고 대규모로 생산할 수 있다. 특히, 태양광을 이용하기 때문에 지구 온난화의 주범으로 알려진 이산화탄소를 활용할 수 있어 온실가스 저감 방법으로도 알려져 있다.

탄노나노튜브 촉매를 개발한 원다혜 선임연구원과 민병권 국가기반기술연구본부장, 황윤정 책임연구원.(왼쪽부터)(제공 KIST)

그러나 인공광합성 기술의 실현을 위해서는 이산화탄소를 효율적으로 변환할 촉매가 필요하다. 그러나 이 촉매를 연구실 수준에서 정제된 증류수를 사용해 구현하고 있는 것이 현실이다.

KIST 연구진이 이 문제를 해결했다. 기존에는 이산화탄소를 일산화탄소로 변환하기 위해 전기화학 시스템의 기본 구성 요소인 전해질을 초고순도 증류수로 써왔으나, 이를 일상에서 쓰이는 수돗물로 대체하는데 성공했다.

또 수돗물 성분 중 ‘철’이 촉매 성능을 크게 떨어뜨린다는 사실도 규명하고 금속 불순물이 증착돼도 문제가 안생기도록 탄소나노튜브에 질소 원소가 함유된 새로운 촉매를 개발했다.

수돗물에 극미량 들어있는 불순물 가운데 증착 성질을 가진 구리나 아연, 철 등이 있지만, 이 가운데 철이 촉매의 활성을 가장 크게 막는다는 것을 밝혔다.

원다혜 선임연구원은 “내구성 확보를 위해 촉매 디자인 전략으로 질소가 도핑된 탄소나노튜브 촉매를 개발했다”고 설명했다.

현재 상용화되어 있는 은 촉매의 일산화탄소 생성 전류 선택도(변환 성능 지표)는 73%정도다. 그러나 원 선임이 개발한 촉매는 이보다 더 낮은 과전압(360mV) 상태에서도 상용화되어 있는 은 촉매에 버금가는 일산화탄소 생성 전류 선택도를 나타냈다.

내구성도 탁월하다. 수돗물 환경에서 은 촉매는 20분 이내에 성능이 80% 이상 줄어드는데 비해 이 촉매는 120시간 동안 안정적인 성능을 나타냈다.

민병권 본부장은 “인공광합성 기술의 실용화에 한발 더 다가선 것으로 평가한다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행됐다. 연구결과는 촉매분야 국제 학술지 ‘어플라이드 카타리시스 비: 인바이런멘탈’(Applied Catalysis B: Environmental) 최신호에 게재됐다. 이 학술지 임팩트 팩트(IF)는 14.23이다.

논문명
Achieving tolerant CO2 electro-reduction catalyst in real water matrix

저자
△한국과학기술연구원 원다혜 선임연구원(제1저자)
△한국과학기술연구원 민병권 책임연구원(교신저자)
△한국과학기술연구원 황윤정 책임연구원(교신저자)

<원다혜 KIST 선임연구원>

◆ 원다혜 KIST 선임연구원(제1저자)

“애써 개발한 촉매들이 향후 실용화 단계에서 적용되지 못할 수도 있다는 우려에서 이 연구를 시작하게 됐습니다.”

이번 연구성과의 제1저자로 등록딘 원다혜 한국과학기술연구원 선임연구원은 연구 계기에 대해 이렇게 설명했다.

원 선임은 “이산화탄소 전환 촉매의 경우 고도로 정제된 실험실 환경에서도 낮은 내구성을 보이는 경우가 많기 때문에 실제 환경에서는 거의 활용이 어렵다고 봐야 한다”고 말했다.

원 선임은 “실생활에서 사용하는 일반 용수에서 이산화탄소 환원 촉매에 문제가 될 수 있는 요인들을 미리 파악, 개발 촉매의 실용화 진입 장벽을 낮출 수 있을 것으로 판단한다”고 이번연구에 나름의 의미를 부여했다.

“앞으로 이번에 규명한 디자인 전략을 기반으로 현재 탄소 기반 촉매가 보이는 문제점인 금속 기반 촉매보다 상대적으로 낮은 전류밀도를 개선하는 방향으로 연구를 진행해볼 계획입니다. ”

박희범 기자  snews@s-news.kr

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