이산화탄소가 연료로…가까워진 '인공광합성'

대면적 상용 실리콘 태양전지와 결합한 가지형 은-촉매 전극의 이산화탄소 전환 시스템 및 인공광합성 장비. /사진=KIST

국내 연구진이 지구온난화 주범인 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 바꾸는 인공광합성 기술의 상용화 가능성을 끌어올렸다.

한국과학기술연구원(KIST)은 29일 청정에너지연구센터 오형석, 이웅희 박사 연구팀이 경희대 유재수 교수팀과 함께 전기화학적 이산화탄소 전환시스템에서 높은 효율로 일산화탄소를 얻을 수 있는 나노미터 크기의 텅스텐-은 촉매 전극을 개발하고, 이를 상용 실리콘 태양전지와 결합해 실제 태양광에서 구동 가능한 대규모 인공광합성 시스템을 제작했다고 밝혔다.


인공광합성 기술은 광합성을 통해 이산화탄소와 물을 포도당으로 바꾸는 식물처럼 햇빛을 받아 이산화탄소를 에틸렌, 메탄올 등과 같은 고부가가치 화합물로 전환하는 기술이다. 연구팀은 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 인공광합성 기술을 개발했는데, 일산화탄소는 열화학 반응을 통한 메탄올 생산 등 화학공정 원료로 사용된다.

연구팀은 먼저 기체 이산화탄소 전환 일산화탄소 생성 시스템에 적용할 수 있는 새로운 텅스텐-은 촉매를 개발했다. 텅스텐-은 촉매는 기존 은 촉매에 비해 60% 이상 향상된 일산화탄소 생산 효율을 나타냈고, 100시간 동안의 시험에도 안정적으로 작동했다. 은 사용량을 줄여 경제성도 높였다.

연구팀은 나아가 해당 촉매를 이용한 이산화탄소 전환 시스템을 120㎠ 크기의 실리콘 태양전지와 결합한 인공광합성 시스템을 개발했다. 별도의 전기공급 없이 구동가능한 이산화탄소 전환 시스템을 만든 것이다.


연구팀이 개발한 인공광합성 시스템은 현재까지 개발된 실리콘 태양전지 기반 인공광합성 시스템 중 가장 높은 수준인 12.1%의 태양광-화합물 전환효율을 나타냈다. 특히 실험실이 아닌 실제 야외 환경에서 햇빛을 이용한 일산화탄소 전환에 성공하면서 기술 상용화 가능성을 높였다.

오형석 KIST 박사는 "이번 연구를 바탕으로 고효율 인공광합성 기술이 실용화된다면, 제철소와 석유화학 공장 등에서 발생하는 이산화탄소를 일산화탄소로 전환해 온실가스를 저감할 수 있으며, 석유화학 공정에서 생산되는 기초 화합물들을 탄소중립 방법으로 생산할 수 있다"고 말했다.

연구팀은 실용화를 위한 과제로 더 큰 규모의 태양전지 사용과 전극 연구를 통한 전기화학적 인공광합성 효율 향상, 실제 공장 규모에서의 가동 가능성 제시 등을 제시했다.

이번 연구성과는 에너지환경 분야 국제학술지인 '어플라이드 카탈리시스 비:인바이론먼털'(Applied Catalysis B: Environmental) 최신호에 게재됐다.