DGIST(대구경북과학기술원·총장 손상혁)는 인수일 에너지공학전공 교수팀이 이산화탄소를 메탄이나 에탄처럼 활용 가능한 에너지로 선택해 전환할 수 있는 광촉매 개발에 성공했다고 6일 밝혔다.

이탄화탄소는 지구온난화의 주범으로 여겨지며 감소와 연료로의 전환에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에따라 이산화탄소를 연료로 전환하는데 필수인 광촉매 연구가 주목되고 있다.

기존 광촉매 연구는 주로 밴드갭이 큰 반도체 물질을 많이 사용한다. 하지만 다양한 영역의 태양에너지를 흡수하는데 제한적이다. 

인수일 교수 연구팀은 안정적이고 효율적인 방법으로 환원된 이산화티타늄에 그래핀을 씌워 고효율 광촉매를 개발했다. 이 광촉매를 이용하면 기체상에서 이산화탄소를 선택적으로 더 높은 차수인 메탄과 에탄으로 전환할 수 있다.

이를 이용한 메탄과 에탄 생성량은 각각 259umol/g, 77umol/g의 전환율을 보인다. 이는 기존의 환원된 이산화티타늄 광촉매보다 각 5.2%, 2.7% 높아진 수치다. 에탄 생성량의 경우 비슷한 실험 조건에서 세계 최고 효율을 나타냈다.

연구팀이 개발한 광촉매는 향후 고부가가치 물질 생산 등 다양한 분야에 응용이 가능하고, 지구온난화와 에너지자원 고갈 문제 해결에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 

인 교수팀은 이번 광촉매 개발에 앞서 영국의 제임스 듀란트(James R. Durrant) 임페리얼칼리지런던(ICL) 화학과 교수팀과 공동연구를 통해 이산화티타늄과 그래핀 계면에서 보이는 밴드 굽힘 현상으로 정공이 그래핀으로 움직인다는 사실을 최초로 증명했다.

이는 전자들이 환원된 이산화티타늄 표면에 모여 반응을 활성화시켜 다량의 라디칼 메탄을 형성시킨다. 연구팀은 형성된 라디칼 메탄이 수소 이온과 반응할 경우 메탄이, 라디칼 메탄끼리 서로 반응할 경우 에탄이 생성된다는 메커니즘을 규명했다.

인수일 교수는 "이번에 개발한 광촉매는 이산화탄소를 메탄이나 에탄 같은 활용가능한 화학물질로 선택 생산할 수 있다"며 "상용화가 가능할 정도로 전활율을 높이는 후속 연구를 진행해 기술발전에 기여할 것"이라고 강조했다.

한편, 이번 연구 결과는 에너지분야 국제학술지 '에너지 & 인바이러멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)'에 지난달 19일자 온라인판에 게재됐다.