태양빛만으로 일산화탄소와 같은 화학원료 생산 가능성 높혀 지속가능형 화합물 생산 방법

▲ 개발된 인공광합성 디바이스는 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 제조 및 설치되어

 태양빛 흡수를 원활하게 하고 대량으로 화합물을 생산할 수 있다는 것을 표현한 그림

(저널 back cover에 사용된 그림)

자연의 나뭇잎과 마찬가지로 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가가치의 화합물(화학원료)을 생산할 수 있는 세계 최고 수준의 인공 광합성 디바이스 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청청에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사 연구팀은 태양전지기술과 촉매기술을 융합하여 태양광에너지만으로 작동하는 세계 최고 효율(4.23%)의 일체형 인공광합성 디바이스 기술을 개발했다고 밝혔다.

자연의 광합성을 모방하여 화석연료나 바이오매스 등과 같은 태양에너지가 저장되어 있는 매개체를 거치지 않고 태양에너지를 고부가가치의 화합물로 바꾸어 주는 인공광합성 기술은 오랫동안 과학자들의 관심을 끌어 왔다.
특히 최근 지구 온난화 등 기후변화가 심화되면서 이에 대응할 수 있는 친환경적 고부가가치 화합물 제조 방법이 절실한 시점이다.

연구진은 1%의 효율 수준을 가진 자연의 나뭇잎보다 성능이 뛰어난 인공광합성 디바이스를 구현함으로써 이러한 기술이 현실화 될 수 있는 가능성을 제시했다.
인공광합성 기술을 완성하기 위해서는 다양한 요소 기술의 융합이 필요하다. 특히 태양광을 흡수하여 전자를 생산하는 광전극 기술, 물분해를 위한 촉매 기술, 또한 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시켜 주기 위한 촉매 기술은 핵심 요소 기술이라고 할 수 있다.

지금까지는 전 세계적으로 각 개별 요소 기술에 대한 연구가 대부분 진행되어 왔다. KIST 민병권, 황윤정 박사 연구팀은 각 요소기술 개발뿐만 아니라 이들 기술을 통합해 실질적으로 태양빛으로 작동되는 일체형 인공광합성 디바이스를 제조하였고 4.23%의 효율을 가진 디바이스의 성능을 시연했다.

이는 현재 알려진 인공광합성 디바이스의 효율이 최고 1.8%임을 감안할 때 획기적인 성능이다.
연구진은 저가 박막태양전지 기술을 촉매 기술과 융합해 광전극의 안정성을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발하였으며 환원전극 촉매 종류를 단순히 교체하는 작업으로 원하는 고부가화합물을 생산할 수 있는 디바이스를 구현하였다.

환원전극을 금 또는 은과 같은 금속 촉매로 변경할 경우 일산화탄소가 주로 만들어 지는데, 이를 비스무스(Bi) 금속 촉매로 바꾸게 되면 개미산(Formic Acid)이 주로 만들어 지게 된다.

연구팀은 프린팅기반 CIGS 박막 태양전지 기술, 저온 코팅 코발트산화물 촉매 기술, 금 나노촉매 기술의 융합을 통해 이산화탄소로부터 선택도 90% 이상으로 고가의 일산화탄소를 생산하는 디바이스를 구현하였다.
일산화탄소는 주로 화학원료로 활용되며 톤당 1,320,000원에 달하는 고가의 화합물이다.

개발한 기술은 또한 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 디바이스를 제조하여 효과적으로 태양빛을 이용할 수 있다는 것이다.
또한 이렇게 만들어진 인공광합성 디바이스의 효율을 향후 10% 까지 올린다고 가정했을 때, 100km2 면적 (울릉도 면적의 약 1.4배)에 설치하여 하루 6시간씩 가동시킨다면 1년에 약 8백만톤의 일산화탄소를 생산할 수 있는데, 이는 10조원의 가치에 해당하는 양이다.

민병권 박사는“이번에 개발된 인공광합성 디바이스 기술은 향후 태양전지와 마찬가지로 패널형으로 제조 및 설치가 가능해 태양빛만 이용해서 원하는 고부가화합물을 직접 대량 생산할 수 있는 미래형 화학원료 및 연료 생산 시스템으로 발전할 수 있다”고 말했다.

한편 이 연구는 KIST 기관고유 미래원천사업의 지원을 받아 수행 되었으며, 3월 21일, 세계적 수준의 과학전문지인 ‘Journal of Materials Chemistry A' 에 back cover 논문으로 선정 게재될 예정이다.