DGIST 에너지공학과 인수일 교수 연구팀이 태양광 에너지를 이용해 이산화탄소를 연료로 전환할 때 촉매 원자 수준에서의 상호작용 설계에 따라 생성물과 반응 경로가 달라지는 원리를 규명했다.
대표적인 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 유용한 연료나 화학 원료로 바꾸는 기술은 탄소중립 사회를 만들기 위한 핵심 과제다.
특히 태양광을 이용해 온실가스를 자원화하는 ‘인공 광합성’ 기술이 주목받고 있지만, 그동안은 반응의 효율을 높이고 원하는 생성물만을 얻는 선택성을 확보하는 데 어려움이 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 이산화티타늄(TiO2)이라는 물질 표면에 철(Fe)과 구리(Cu) 원자를 각각 하나씩 떼어 배치한 ‘단원자 촉매’ 시스템을 설계했다.
단원자 촉매는 금속 원자가 개별적으로 흩어져 있어, 아주 미세한 수준에서 전자들의 움직임을 조절할 수 있는 장점이 있다.
연구 결과, 어떤 금속 원자를 사용하느냐에 따라 만들어지는 결과물이 완전히 달라졌다.
철(Fe) 원자를 사용했을 때는 일산화탄소(CO)가 기존보다 55.7배나 더 많이 생산되었다.
반면 구리(Cu) 원자를 사용했을 때는 빛을 받았을 때 촉매 표면에 산소가 빠져나간 자리(산소 공공)가 더 잘 만들어지며 메탄(CH4)이나 에탄(C2H6) 같은 탄화수소 연료가 최대 44.5배 증가했다.
연구팀은 첨단 분석 장비(XAFS, DRIFTS)와 이론 계산(DFT)을 통해 금속 원자가 촉매 내부의 전자 구조를 어떻게 변화시키고, 이것이 어떻게 서로 다른 반응 경로를 만들어내는지 과학적으로 증명했다. 박경철기자