대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지공학과 인수일 교수팀이 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 에너지 자원인 메탄으로 전환하는 고효율 광촉매를 개발했다고 1일 밝혔다.
광촉매는 나노입자 조촉매와 루테늄 도핑 조성을 최적화해 광학·전기적 물성 성능을 높였다. 동시에 하이드록시기 표면처리로 이산화탄소 흡착량을 높여 우수한 메탄 전환 성능을 확보했다. 연구팀은 매년 꾸준히 증가하는 대기 중 이산화탄소 농도를 억제함과 동시에 메탄으로 자원화하는 탄소포집과 활용 기술에 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
연구팀은 이산화티타늄으로 이루어진 P25에 가시광 흡수가 우수한 은 나노입자 조촉매를 붙이고, 루테늄 도핑으로 전하 전달 성능을 개선한 고효율 광촉매를 개발했다. 또한, 과산화수소 처리로 광촉매 표면에 하이드록시기를 형성해 이산화탄소 흡착 성능을 개선해 기상 반응에서 촉매 표면에 낮은 이산화탄소 농도 문제를 해결했다.
메커니즘 분석으로 연구팀은 루테늄 도핑으로 P25 밴드구조에 중간 상태에서의 전자가 축적되고, 축적된 전자가 은 나노입자 조촉매로 전달되어 이산화탄소를 메탄으로 전환함을 입증하기도 했다. 특히, 은 나노입자 조촉매와 루테늄 도핑을 분석하여 이산화탄소에서 고효율로 메탄을 만들어 낼 수 있는 최적의 조성을 밝혀냈다.
나아가 광촉매 표면에 흡착된 이산화탄소 양을 측정해 과산화수소로 염기화한 광촉매 표면을 상대적으로 산성을 띠는 이산화탄소를 더 많이 흡착함을 입증했다. 인수일 교수는 "향후 기술 실용화를 위해 광촉매 안정성 향상과 탄화수소의 선택성을 높이는 후속 연구를 진행하겠다"고 말했다.
한편, 연구 결과는 에너지·환경 분야의 저명한 국제학술지 ‘카본 에너지(Carbon Energy)’ 7월 온라인판에 게재됐다.