DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 인수일 교수 연구팀이 미국 캘리포니아 공과대학교(Caltech) 윌리엄 고다드(William A. Goddard III) 교수 연구팀과 공동으로, 태양광을 이용해 이산화탄소를 고부가가치 연료인 ‘메탄’으로 전환할 수 있는 고효율 광촉매를 개발하고, 그 작동 원리를 규명했다.
이산화탄소는 대표적인 온실가스로 기후변화의 주요 원인으로 지적되고 있으며, 이를 효과적으로 줄이는 기술 개발은 전 세계적으로 중요한 과제로 꼽힌다. 연구팀이 주목한 ‘광촉매’ 기술은 태양광 에너지를 이용해 이산화탄소를 연료로 바꾸는 일종의 ‘인공 광합성’ 기술로, 탄소 중립 실현과 친환경 에너지 생산에 기여할 수 있어 많은 관심을 받아 왔다.
연구팀은 가시광선과 근적외선을 잘 흡수하는 ‘황화은(Ag₂S)’과 광촉매 소재로 널리 사용되는 ‘이산화티타늄(TiO₂)’을 결합하여, 전자가 자연계의 광합성과 유사한 경로(Z-스킴)를 통해 효과적으로 이동할 수 있도록 하는 새로운 구조를 고안했다. 이를 통해 빛 에너지의 활용 효율이 크게 향상되었다.
기존 연구에서는 소재가 지나치게 규칙적인 결정질 상태에 머물러 이산화탄소가 실제로 반응할 수 있는 ‘활성점’이 부족하다는 한계가 있었다. 이에 DGIST-Caltech 공동 연구팀은 소재 내부에 의도적으로 ‘결함’을 도입하는 전략을 택해, 구조가 불규칙한 비정질(Amorphous) 이산화티타늄을 활용하여 티타늄 3가(Ti³?) 활성점을 풍부하게 만들고, 동시에 원자 비율이 완전히 일치하지 않도록 설계된 비화학량론적(Non-stoichiometric) 황화은 나노와이어를 결합함으로써 강한 내부 전기장을 형성하여 전하 분리와 반응 효율을 획기적으로 높이는 데 성공했다.
새로 개발된 광촉매는 집광형 반응기 환경에서 메탄 생산량이 30.31 μmol/g에 도달했으며, 이는 일반적인 조건 대비 약 5배 향상된 성능이다. 이번 연구는 ‘결함’이 단순한 구조적 한계가 아니라, 오히려 촉매 성능을 높이는 핵심 요소가 될 수 있음을 과학적으로 입증했다는 점에서 의의가 크다.
인수일 교수는 “이번 연구는 촉매의 효율을 결정짓는 ‘활성점’을 설계하고 제어할 수 있다는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 이산화탄소를 가치 있는 연료로 전환하는 탄소 자원화 기술의 실용화를 앞당기는 데 기여할 것”이라고 밝혔다. 또한 “실험 연구와 양자역학 계산을 결합하여, 이산화탄소가 메탄으로 전환되는 과정을 원자 수준에서 규명했다는 점도 중요한 성과”라고 설명했다.
오경묵 기자