가시광선 사용해 이산화탄소(CO2)를 메탄 발생 없이 일산화탄소와 산소 만으로 변환하는 촉매가 나왔다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장은 가시광선을 이용해 이산화탄소를 산소와 일산화탄소로 변환하는 촉매를 개발했다. 가시광선으로 화학반응이 가능해 실내에서 사용할 수 있는데다, 연료로 변환 가능한 일산화탄소를 기존 촉매 최대치보다 15배 많이 생산할 수 있다.

‘아타나제-루타일 이산화티타늄(TiO2)’ 은 한 해 500만 톤 이상 자외선 차단제, 탈취·살균제 등에 쓰인다. 자외선을 흡수하면서 물과 이산화탄소를 메탄, 일산화탄소, 그리고 다량의 산소로 변환하는 촉매다. 부산물인 메탄과 일산화탄소로 연료·메탄올 등 유용한 화합물을 만들 수 있어, 이를 통해 생산 비용을 회수하는 이산화탄소 제거제를 개발하고자 지난 50년간 연구가 계속됐다. 특히 가시광선까지 흡수하는 가시광촉매는, 자외선만 흡수하는 기존 촉매보다 많은 에너지를 활용하면서 병원·지하철 등 실내에서 작동해 이산화탄소 촉매 연구의 핵심 과제로 여겨졌다.

현재까지 가시광 및 태양광을 사용해 산소와 일산화탄소만을 생산하는 촉매제는 거의 없었다. 이를 고안하기 위해 전자가 서로 다른 물질 사이를 Z모양으로 이동하도록 구조를 만들어야 했다. 블루TiO2와 함께 사용할 수 있는 금속산화물과 금속을 찾는 데 어려움이 있었다.

왼쪽부터 김자우 학생, 이효영 부연구단장, 황희민 학생.

연구진은 지난 9월 아나타제-루타일 이산화티타늄에서 아나타제 결정을 환원해, 가시광선으로 작동하는 촉매‘비결정아나타제-결정루타일 이산화티타늄’제조에 성공하고 저자 이름을 따‘이효영의 블루 이산화티타늄’으로 이름 붙였다. 이번 연구에서는 ‘이효영의 블루 이산화티타늄’을 개선해 메탄 없이 일산화탄소만 생산하는 촉매를 개발하는 데 성공했다.

연구진은 생산 효율을 향상시키기 위해 촉매가 빛을 흡수하며 생성하는 전하의 수와 이동성을 향상시키고자 실험을 고안했다. ‘이효영의 블루 이산화티타늄’에 다른 물질을 도핑해 불균일한 구조를 만들면, 전하 생성이 증가해 광효율이 향상될 것으로 예상했다. 연구진은 도핑 재료로 일산화탄소 발생률을 높일 수 있는 은을 포함해 3가지 후보 물질을 시도하고, 가장 안정적인 조합인 텅스텐산화물과 은을 도핑해 하이브리드 촉매를 만들었다.

이렇게 만들어진 하이브리드 촉매는 흡수된 빛 중 34.8%를 촉매 변환에 활용, 기존 촉매보다 광효율이 3배 높다. 또 이산화탄소-산소 변환 과정에서 메탄 없이 100% 일산화탄소만 발생, 부산물을 단일화해 경제성이 높다. 일산화탄소 양은 기존 이산화티타늄 촉매보다 200배, 학계에 보고된 가장 우수한 촉매보다 15배 많이 발생했다. 기존 이산화티타늄 공정이 고온·고압의 기체를 다뤄 위험성이 큰 데 비해 상온·상압에서 액체상으로 합성해 안전하다는 장점이 있다.

이효영 부연구단장은 “가시광선으로 작동하는 블루이산화티타늄 제조에 관한 원천기술을 확보하고 이를 이용해 새로운 가시광촉매를 개발했다”며 “이번에 개발한 촉매는 미세먼지와 병원 내 병원균 등을 제거하는 데에도 역시 우수한 성능을 보였다”고 밝혔다.

연구결과는 화학·재료분야 세계적인 권위지인 ‘머터리얼스 투데이(Materials Today, IF 24.372)’지에 1월3일 온라인 게재됐다.

*이산화티타늄(TiO2)

무색 또는 백색 분말로서 냄새와 맛이 없다. 같은 이산화티타늄이라도 분자구조에 따라 아나타제 결정과 루타일 결정 두 가지 상을 이룰 수 있다. 가장 흔히 쓰이는 이산화티타늄은 75% 아나타제 결정과 25% 루타일 결정의 혼합으로 이뤄져 있다.