Widely Controllable Syngas Production by a Dye-Sensitized TiO2 Hybrid System with ReI and CoIII Catalysts under Visible-Light Irradiation
지구가 따뜻해지는 이유 중 하나인 이산화탄소. 2015년 파리기후변화협약 이후 전 세계적인 이산화탄소 감축 움직임이 진행되는 가운데 물과 햇빛만으로 이산화탄소(CO2)를 합성가스*로 바꾸는 원천기술이 개발되었다.
*합성가스 : 일산화탄소(CO)와 수소(H2)의 혼합가스로서 간단한 공정에 의하여 메탄올과 같은 고 부가 연료로 전환되는 화합물을 일컫는다.
한국연구재단(이사장 조무제)은 손호진 교수(고려대) 연구팀이 물과 태양빛을 이용하여 지구온난화의 주 원인인 이산화탄소를 합성가스*로 전환시키는 기술을 최초로 개발했다고 밝혔다.
이산화탄소를 전환하기 위해서 기존 연구에서는 전기, 열을 가했다. 하지만 연구팀은 태양빛과 물만으로 이산화탄소를 합성가스로 바꾸었다. 이 기술은 태양 빛에 감응하는 염료와 이산화탄소와 물을 선택적으로 전환시키는 2개의 촉매(레늄(Re)과 코발트(Co) 분자촉매)를 값싼 이산화티탄*에 결합시킴으로써 이산화탄소를 합성가스로 전환시키는 것이다.
*이산화티탄 : 지구상에 풍부하고 매우 안정한 금속 산화물 반도체 구조로서 광촉매 특성이 우수하여 공업적으로 많이 사용하는 매우 값싼 물질이다.
광촉매* 제조가 용이하고, 광촉매 활성과 안정성이 뛰어나다. 그래서 이산화탄소의 대용량 전환도 가능하다. 메탄올과 같은 합성연료를 생산할 수 있는 핵심 기술로 손색이 없다. 경제성이 높은 이유다.
*광촉매 : 태양 빛만을 이용하여 경제적인 화학물질로 변화시킬 수 있는 소재. 적은 양만으로도 여러 차례 사용이 가능한 가장 환경 친화적인 전환기술의 핵심기술임.
손호진 교수는 “이 연구성과는 태양에너지를 에너지원으로 하여 이산화탄소와 물을 합성가스(일산화탄소 + 수소)로 변환시키는 촉매기술을 개발한 것이다. 합성가스는 경제적이고 친환경적으로 화학연료 생산을 위한 원료로 사용된다. 때문에 이산화탄소를 줄여 지구온난화 문제의 해결 기반을 마련함으로써 지구생태계 복원에 기여할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구성과는 미래부․한국연구재단이 지원하는 대학중점연구소지원사업, 기초연구사업(개인연구)의 지원을 통해 수행하였다. 국제 학술지인 독일 화학회 앙게반테 케미 인터네셔널 에디션(Angewante Chemie International Edition) 우수 논문(hot paper)으로 선정되어 12월 15일자에 게재되었다.
논문의 주요 내용
□ 논문명과 저자 정보
- 논문명 : Widely Controllable Syngas Production by a Dye-Sensitized TiO2 Hybrid System with ReI and CoIII Catalysts under Visible-Light Irradiation
- 저자 정보 : 손호진 교수 (교신저자, 고려대), 이종수 연구원 (제 1저자, 고려대)
□ 논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
이산화탄소전환 기술이란 이산화탄소를 재 연료화 시키는 기술로 탄소재활용을 가능하게 하는 기술이다. 그러나 현재 이루어지고 있는 이산화탄소 전환연구는 전기에너지 공급을 통한 전기화학적인 전환방법, 추가 에너지 투입에 의한 이산화탄소를 환원하는 연구 등이 있으나 투입되는 에너지 비용이 높은 문제점이 있다.
2015년 ‘파리기후변화협약’ 이후 지구의 자연계 복원을 위한 이산화탄소 전환연구의 필요성이 강조되고 있다. 태양광과 물만을 사용한 친환경적인 이산화탄소 전환 연구가 미국, 일본, 독일 등에서 활발하다.
2. 연구내용
고려대 손호진 교수는 에너지-페널티*가 없는 광촉매를 개발하였고 이 소재를 활용하여 경제적인 이산화탄소 전환방법을 제시하였다.
*에너지-페널티 : 화학적인 전환을 시도할 목적으로 외부에서 일정량의 에너지가 공급되어 에너지를 낮추는 촉매의 근본적인 개념에 위배되는 현상
이 연구에서는 물을 효과적인 화학적인 변환소재로 활용하여, 이산화티탄의 에너지를 조절하고 동시에 물에 포함된 양성자를 수소 생산에 이용하는‘일석이조’효과를 극대화시키고 있다.
크게 이 연구는 1) 이전 이산화탄소 전환기술의 단점인 부가적인 에너지 투입 없이 태양광만을 에너지원으로 사용하기 위하여 유기염료를 도입하였으며 2) 기존 균일계 분자 광 촉매소재의 단점을 반도체 특성으로 보완하여 장수명 광전환이 가능하게 하였다.
세부적으로 이산화티탄의 밴드-갭 조절을 통하여 태양광에 의해서 유발된 전하분리 능력을 극대화 시키고, 효과적인 에너지 활용 촉매기술을 결합시켰다.
적당한 물의 산성도가 반응의 조건을 조절하는 역할을 하며, 정밀한 에너지를 조절하여 이산화탄소의 전환을 선택적으로 유도하는 기술이다.
태양광에 의한 광자를 효과적으로 이산화탄소 전환에너지로 활용하는 기술로서 값싼 이산화티탄 소재, 신재생에너지인 태양광, 가장 친환경적인 물만을 이용한 이산화탄소 전환기술이 개발되었다.
이 기술의 개발로 말미암아 현재 선진국에서 조차 달성하지 못한 전환효율을 달성하였고, 동시에 친환경이란 최대의 관심사를 유도하였다.
현존하는 반응 메커니즘이 명확히 밝혀진 최고효율의 이산화탄소 전환용광촉매 기술이다.
3. 연구 성과
이 연구를 통해 손호진 교수는 이산화탄소와 물에 태양광의 적정에너지를 공급하여 합성연료로 재활용시키는 핵심촉매기술을 개발하였다. 즉, 태양광을 최대한 활용하여 이산화탄소를 가장 친환경적으로 전환시키는 방법이며 재생되는 화학연료의 생성물을 산업계의 수요에 따라 경제적으로 변경하고 진화할 수 있게 하는 세계적인 원천 기술이다.
개발된 이산화탄소 전환용 소재는 안정성과 선택성이 확보된 광촉매*로서 대용량 이산화탄소 전환에 적용이 가능하여 기후변화대응 환경산업 발전에도 기여할 것으로 기대된다.
*광촉매 : 태양 빛만을 이용하여 경제적인 화학물질로 변화시킬 수 있는 소재. 적은 양만으로도 여러 차례 사용이 가능한 가장 환경 친화적인 전환기술의 핵심기술임.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
산업혁명 이후 급속한 경제 성장을 추진하는 과정에서 전 세계는 과도한 화석연료를 사용하였다. 특히 중국을 위시한 후발 개발국가들이 생산성 증대에 석탄 및 석유에너지가 큰 비중을 차지하고 이에 따른 에너지 부산물인 이산화탄소를 과다하게 배출하였다.
이산화탄소는 매우 안정한 화합물이다. 이산화탄소를 추가 에너지 공급이 없는 조건에서 유용한 물질로 전환시키는 건 불가능하다고 알려져 있다. 전기에너지나 열에너지를 이용하여 이산화탄소를 분해시켜 전환을 유도하는 방법이 제안되고 있다. 현재 전환기술 수준은 에너지를 얻기 위해 값싼 화석연료를 태워 발생된 이산화탄소를 추가의 에너지를 투입하여 전환시킨다는 시도 정도에 머물러 있는 실상이다. 그러나 이러한 에너지 추가공급에 의한 전환은 장기적인 이산화탄소 재활용 기술로는 볼 수 없다. 비록 태양전지 전기에너지를 활용하더라도 그 용도에는 한계가 있다.
2. 연구내용
고려대 손호진 교수는 에너지-페널티*가 없는 광촉매를 개발하였고 이 소재를 활용하여 경제적인 이산화탄소 전환방법을 제시하였다.
*에너지-페널티 : 화학적인 전환을 시도할 목적으로 외부에서 일정량의 에너지가 공급되어 에너지를 낮추는 촉매의 근본적인 개념에 위배되는 현상
이 연구에서는 물을 효과적인 화학적인 변환소재로 활용하여, 이산화티탄의 에너지를 조절하고 동시에 물에 포함된 양성자를 수소 생산에 이용하는‘일석이조’효과를 극대화시키고 있다.
크게 이 연구는 1) 이전 이산화탄소 전환기술의 단점인 부가적인 에너지 투입 없이 태양광만을 에너지원으로 사용하기 위하여 유기염료를 도입하였으며 2) 기존 균일계 분자 광 촉매소재의 단점을 반도체 특성으로 보완하여 장수명 광전환이 가능하게 하였다.
세부적으로 이산화티탄의 밴드-갭 조절을 통하여 태양광에 의해서 유발된 전하분리 능력을 극대화 시키고, 효과적인 에너지 활용 촉매기술을 결합시켰다.
적당한 물의 산성도가 반응의 조건을 조절하는 역할을 하며, 정밀한 에너지를 조절하여 이산화탄소의 전환을 선택적으로 유도하는 기술이다.
태양광에 의한 광자를 효과적으로 이산화탄소 전환에너지로 활용하는 기술로서 값싼 이산화티탄 소재, 신재생에너지인 태양광, 가장 친환경적인 물만을 이용한 이산화탄소 전환기술이 개발되었다.
이 기술의 개발로 말미암아 현재 선진국에서 조차 달성하지 못한 전환효율을 달성하였고, 동시에 친환경이란 최대의 관심사를 유도하였다.
현존하는 반응 메커니즘이 명확히 밝혀진 최고효율의 이산화탄소 전환용광촉매 기술이다.
3. 기대효과
이 기술은 이산화탄소에 태양광의 적정에너지를 공급하여 합성연료로 재활용시키는 것이다. 즉, 태양광을 최대한 활용하여 이산화탄소를 가장 친환경적으로 전환시키는 방법이며 재생되는 태양연료의 생성물을 산업계의 수요에 따라 경제적으로 변경하고 진화할 수 있게 하는 세계적인 원천 기술이다.
탄소재활용이란 지구상에 유한한 탄소자원을 낭비 없이 경제적으로 지속 사용을 가능케 함을 의미한다. 이러한 탄소재활용 기술이 지구온난화, 그리고 이에 따른 범지구적인 기후 불황을 타개할 근본적인 기술이 될 것이다. 끝으로 에너지 수입국인 점을 감안할 때 새로운 탄소재활용 기술개발이란 자원빈국에서 에너지환경 선진국으로의 발돋음을 가능하게 할 것이다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
화학자의 관점에서 볼 때 이산화탄소의 전환은 발상의 전환이 필요한 기술이다. 과거 연구경험으로 축적한 촉매지식, 광화학지식, 그리고 태양전지에 관한 이해를 융합할 경우 전환 가능할 수 있을 것이라는 기대를 가지고 본 연구를 시작 되었다. 특히 물 분해의 경우 현재 고효율 광촉매가 개발되어 일본에서는 상업적인 응용을 서두르고 있다는 점이 이 연구를 더욱 더 매진해야겠다는 동기 부여가 되었다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
연구책임자인 고려대학교 손호진 교수는 2009년부터 에너지 활용 연구를 꾸준히 연구하여 왔다. 2009년부터 5년간 미국 Northwestern 대학에서 태양광기반 MOF 소재개발 공동연구를 계기로 나노 하이브리드소재에 대한 연구를 꾸준히 진행하여 왔다. 이렇게 하이브리드 유기-무기소재기반의 반도체 소재에 대한 축적된 기술을 바탕으로 각각의 소재들의 특성기술을 확보하고 이를 융합시키는 기술을 성공적으로 개발하였다. 개발된 융합 하이브리드 광촉매 기술을 바탕으로 본 연구에서는 성공적으로 이산화탄소를 물과 태양광만을 사용하여 전환시키고 세계최고의 효율과 동시에 안정성도 확인하였다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
이 연구는 화학, 광물리, 소재에 대한 다 학제적 접근이 필요하므로 연구에 참여하는 대학원생들이 기본소재의 물리적특성/광특성/촉매특성을 이해하는데 그치지 않고 융합된 소재분야의 기술을 깊게 이해하여야 하는 어려움이 존재한다. 학교에서의 연구는 연구특성상 학생들의 교육과 연구가 동시에 진행된다. 그러므로 초기에 미숙한 대학원생들이 일정 준의 지식을 쌓기 위해 본 연구팀은 연구실 신입생을 대상으로 다양한 서적과 논문으로 진행되는 세미나를 수 월간 진행하였다. 이 과정에서 학제간 융합연구는 다양한 기반기술의 축적이 필수임을 깨닫게 하였다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존에 유사한 광촉매에 의한 이산화탄소 전환의 경우 장수명·고효율이란 대명제를 충족시키기에는 소재적인 한계에 도달해 있다고 판단되었다. 이 연구에서는 미래의 확장성을 염두에 두고 값싼 소재의 발굴과 이 소재의 광특성 분석 및 광촉매 이해에 많은 시간을 할애하였다. 그 결과 이산화티탄의 물에 의한 에너지 할당이 가능하였고 이를 통해 선택적인 이산화탄소 전환이 가능했다. 결론적으로 태양광과 물만으로도 이산화탄소를 연료로 재생시킬 수 있다는 것을 발견하였다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
지구온난화의 주범인 이산화탄소를 가장 친환경적으로 전환시키고 이를 통하여 지구상의 탄소재생 사이클을 달성하는 기술을 개발하고 싶습니다. 이를 통해 대한민국의 과학입국의 꿈이 실현되길 희망합니다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
이 연구결과를 출판하기까지 많은 실험상 시행착오가 있었고, 초기에 결과 이해가 어려워 연구의 방향에 혼선을 빗기도 했었다. 또한 너무 앞선 기술이어서 리뷰어들을 이해시키고, 만약에 결과의 오류확률이 없음을 증빙하는 자료들을 확보하느라 많은 노력을 경주하였다. 이러한 노력의 덕에로 궁극적으로 저희들의 기술의 우수성이 받아들여졌다.
용 어 설 명
1. 독일 화학회 회지(Angewante Chemie International Edition)
○ 독일 화학회 회지는 화학 분야에서 최고의 권위를 가지고 있는 저널이다. 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수(impact factor) 11.709를 나타낸다.
2. 이산화탄소
○ 산업혁명 시기를 거쳐 현재 산업전반에 걸쳐 탄소자원의 무제한 사용에 따른 산업폐기물이 이산화탄소이다. 이 물질은 매우 안정하여 외부의 에너지 공급 없이는 전환이 어려운 물질이다. 지구온난화의 주 원인이 되는 화학적 부산물이다.
3. 친환경기술
○ 자연계의 순환에 거슬리지 않는 환경 생태계의 지속을 위해 인위적인 유해물질의 제거 및 치유를 제공하는 기술
4. 신재생에너지
○ 지구상에서 무한정으로 공급받을 수 있는 에너지로 자원의 고갈을 염려할 필요가 없는 친환경적인 에너지이다. 대표적으로 태양광을 들 수 있다.
5. 탄소재활용
○ 불가피한 산업부산물인 이산화탄소를 재연료화하여 자연계의 탄소순환의 균형을 이루는 기술이다.
그 림 설 명
(그림 1) 물과 태양광을 이용한 이산화탄소 전환 모식도
유기집광소재를 이용하여 광전자를 포획하고 물에서 양성자와 전자를 분리시키고 이들을 이동시켜 촉매자리에서 이산화탄소를 고효율, 장수명* 전환을 구현하였다.
* 장수명 (높은 TON (Turnover number)) : 촉매의 내구성을 나타내는 정량지표로서 촉매의 단위 몰 수 당 나오는 생성물의 몰 수 (생성물 몰수/촉매의 몰 수)가 높을수록 촉매의 수명이 장기간 지속된다.
