기존 광촉매 P25에 '은 나노입자 조촉매' 붙여 흡착률↑
루테늄 도핑으로 전자가 축적돼 이산화탄소→메탄 변환
(서울=내외방송) 앞으로 이산화탄소를 에너지 자원으로 전환할 수 있어 지구온난화와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 전망된다.
DGIST(대구경북과학기술원)는 "인수일 에너지공학과 교수 연구팀이 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 에너지 자원인 메탄으로 전환하는 고효율 광촉매(빛을 받아들여 화학반응 촉진)를 개발했다"고 2일 밝혔다.
연구팀은 나노입자 조촉매(촉매 활성화에 필요한 성분)와 루테늄 도핑(물질의 성질을 변화시키기 위해 불순물을 첨가) 조성을 최적화해 광학·전기적 성능을 극대화했다.
뿐만 아니라 하이드록시기(하나의 수소 원자와 하나의 산소 원자로 이뤄진 물질) 표면 처리를 통해 이산화탄소 흡착량을 높여 우수한 메탄 전환 성능 기술도 확보했다.
지난해 전 세계 이산화탄소 농도가 420ppm을 돌파해 지구 역사상 410만년 만에 최고치를 경신하면서 이산화탄소를 다양한 연료로 변환할 수 있는 '태양광 화합물'이 10대 유망기술로 선정됐다.
기존에 태양광 광촉매로 사용 중인 P25(이산화티타늄 광촉매)는 가시광선을 흡수할 수 없다는 것과 전하 전달이 느리다는 한계 때문에 고효율 광촉매 개발에 어려움을 겪었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 P25에 가시광 흡수 성능이 뛰어난 '은 나노입자 조촉매'를 붙여 루테늄 도핑을 통해 전하 전달 성능을 개선한 고효율 광촉매를 고안해냈다.
또, 과산화수소 처리로 광촉매 표면에 하이드록시기를 형성해 이산화탄소 흡착 성능을 개선했다.
메커니즘 분석 결과 루테늄 도핑으로 P25 밴드구조에 중간 상태(반응이 진행되는 상태)에서 전자가 축적되고, 축적된 전자가 은 나노입자 조촉매로 전달돼 이산화탄소를 메탄으로 전환됐다.
과산화수소로 염기화된 광촉매 표면이 상대적으로 산성을 띠는 이산화탄소를 더 많이 흡착되는 것도 발견했다.
인 교수는 "이번에 개발된 새로운 광촉매는 가시광 흡수와 이산화탄소 흡착, 전자 전달 성능을 동시에 개선했다"고 말했다.
이어 "P25 광촉매보다 135배 더 많은 양의 메탄을 95%의 높은 선택도로 전환된고, 24시간 장기 운전에도 96% 이상의 안정성이 유지되는 우수성을 갖고 있다"고 덧붙였다.
한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지인 '카본 에너지(Carbon Energy)'에 최근 온라인 게재됐다(논문명: Surface Modified Ag@Ru-P25 for Photocatatlytic CO2 Conversion with High Selectivity over CH4 Formation at the Solid-Gas Interface).
