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  • 기사등록 2019-08-08 11:59:29
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[기계신문] 인공광합성 기술은 태양광을 이용하여 지구 온난화의 주범으로 알려진 이산화탄소를 부가가치를 갖는 물질로 전환하여 자원화할 수 있는 에너지·자원 분야의 꿈의 기술이라고 할 수 있다. 인공광합성 기술의 실현을 위해서는 화학적으로 매우 안정된 상태에 있는 이산화탄소를 손쉽게 변환하기 위한 높은 효율을 갖고, 그 효율을 안정적으로 유지할 수 있는 촉매가 필요하다.


최근 한국과학기술연구원(KIST) 국가기반기술연구본부 민병권 박사 연구팀이 인공광합성 기술의 실용화에 한 걸음 더 가까이 가기 위해 고도로 정제된 실험실 환경에서 벗어나, 실제 환경에서도 장시간 동안 안정적으로 구동될 수 있는 전기화학 인공광합성 촉매를 개발했다.



▲ 태양광과 연계한 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 계략도



태양 빛을 에너지원으로 이용해 물을 분해하고 이산화탄소를 환원하여 유기물을 만드는 반응인 광합성을 인위적으로 수행하여 인류에게 필요한 연료, 화학제품, 식량 등을 자연보다 훨씬 빠르고 대규모로 생산하게 해주는 인공광합성 기술의 핵심 요소기술인 이산화탄소 전기화학적 전환 기술은 기후변화대응 관점에서 가장 유망한 온실가스 저감 방법이라고 할 수 있다.


이 기술의 가장 핵심은 화학적으로 안정한 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하는 촉매 개발에 있기 때문에 수 많은 연구들이 전 세계적으로 진행되고 있으나 대부분의 연구들은 고도로 정제되고 제한된 시험 환경 내에서 고성능 촉매를 개발하는 데에 집중되어 왔다.


현재까지 많은 우수한 성능의 촉매들이 보고되고 있으나 대부분이 초기 성능 보고에 그치며 촉매의 안정성에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 특히, 향후 이 기술이 실용화될 경우를 가정하면 고도로 정제된 실험실 환경과 매우 다를 실용화 조건에서의 촉매 성능과 안정성은 더더욱 보장할 수 없게 된다.



▲ 개발된 질소 원소가 함유된 탄소나노튜브 촉매 모식도



KIST 연구팀은 이산화탄소 전기화학적 전환 시스템의 가장 기본 구성 요소인 물을 실험실에서 사용하는 초고순도의 증류수에서 일상생활에서 가장 쉽게 접할 수 있는 대표적 실용수인 수돗물로 바꾸었을 때 나타날 수 있는 현상을 관찰해 실험실 환경이 아닌 보다 현실적인 조건에서 촉매에 발생할 수 있는 문제점을 파악하고, 이를 바탕으로 내구성을 확보한 촉매를 개발하고자 하였다.


우선 이산화탄소 전환 일산화탄소 생성에 고활성을 보이는 은 촉매를 수돗물 전해질에서 평가하였을 때 20분 내에 초기 성능의 80%이상이 감소하는 것을 확인하였다. 원인을 파악하기 위해 수돗물 내에 존재하는 다양한 불순물의 종류와 농도를 파악하고 각 요소가 촉매 성능에 미치는 영향을 확인해 보았다.


그 결과, 수돗물에 극미량 들어있는 다양한 불순물 중 전극 표면에 증착되는 성질을 가진 구리, 아연, 철 등의 금속 불순물이 촉매의 활성점을 막아 성능을 급격히 저하한다는 것을 밝혔으며, 특히 철 불순물이 가장 해롭다는 것을 파악하였다.



▲ 개발된 탄소 촉매의 수돗물 환경 내에서의 120시간 안정한 이산화탄소 전환 성능



따라서 확인된 성능 저하 요인을 회피하여 수돗물 환경에서도 내구성을 확보할 수 있는 촉매 디자인 전략으로 금속 불순물 증착에 내성을 보이는 질소가 도핑된 탄소나노튜브 촉매를 개발하였다.


개발된 탄소 촉매의 경우 상용 은 촉매에 버금가는 일산화탄소 생성 전류 선택도인 73%를 보다 낮은 과전압(360mV)에서 보였으며 수돗물 환경에서 이산화탄소 환원 반응을 진행하였을 때도 전례 없는 120시간 동안의 장시간 안정성을 기록하였다.


KIST 민병권 본부장은 “이번 연구는 일반적으로 실험실 연구 과정에서 쉽게 간과할 수 있는 부분이자 개발 기술들이 직면하게 될 실제 적용 환경에 대한 고찰로 시작되었다”며 “이번에 밝혀진 내구성 저해 요소와 탄소 기반 촉매의 장시간 내구성 확보 결과를 통해 인공광합성 기술의 실용화 가능성을 더욱 높일 것으로 기대한다”고 밝혔다.


이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행되었으며 연구 결과는 촉매 분야 과학전문지인 「Applied Catalysis B: Environmental」 최신호에 게재되었다.


오상미 기자 osm@mtnews.net

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