KIST, 물밖에서 ‘인공광합성’ 세계 첫 성공… 효율 100배 향상

조선비즈
  • 김윤수 기자
    입력 2020.06.30 12:00

    오형석·이웅희 박사팀, 이산화탄소로 산업원료 일산화탄소 생산 효율↑
    산호 모양 은 나노 전극으로 공기중 광합성… 내구성 향상 등 추가 연구 필요

    산호 모양의 은 나노 전극을 전자현미경으로 관찰한 모습./KIST 제공
    국내 연구진이 온실가스 이산화탄소(CO2)로 산업원료를 만드는 인공광합성을 세계 처음으로 물밖에서 구현하고 생산효율을 높이는 데 성공했다.

    오형석·이웅희 한국과학기술연구원(KIST) 박사 연구팀은 베를린공대와 함께 기체 환경에서 작동하는 인공광합성 시스템으로 이산화탄소를 일산화탄소(CO)로 바꾸는 효율을 높이는 데 성공했다고 30일 밝혔다.

    인공광합성은 식물의 광합성을 모방해 이산화탄소를 일산화탄소·에틸렌·메탄올 등의 산업원료로 바꾸는 기술이다. 지구온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 없애고 유용한 자원까지 얻을 수 있어 전세계에서 경쟁적으로 연구가 이뤄지고 있다.

    일산화탄소는 생산 단가가 높지만 인공광합성을 이용하면 비교적 쉽게 얻을 수 있는 물질이다. 인체에 해로운 기체로 알려져있지만 산업 현장에서는 ‘환원제’로 널리 쓰인다. 수소나 금속 등은 대부분 자연상태에서 불순물과 결합한 ‘산화’ 상태로 존재한다. 이로부터 순수한 수소·금속을 얻으려면 산화의 반대 과정인 환원 반응을 유도해야 하는데, 이때 쓰이는 것이 환원제인 일산화탄소다. 일산화탄소는 아세트산 등 다른 재료를 만드는 원료로도 쓰인다.

    기존 인공광합성은 물속에서만 이뤄져왔다. 주재료인 이산화탄소를 물에 녹여야 하는데 이산화탄소는 물에 잘 녹지 않아 반응의 효율을 높이는 데 한계가 있다. 효율을 높이려면 물밖에서 인공광합성을 구현해야 한다.

    연구팀은 촉매 역할을 하는 은(銀)을 활용했다. 은을 나노(nm·10억분의 1미터) 크기의 산호(coral) 모양 알갱이들로 만들어 전극을 구성, 인공광합성 반응이 일어나는 전극의 표면적을 극대화했다.

    기존의 은 전극(왼쪽)보다 산호 모양 입자로 구성한 은 전극(오른쪽)이 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 효율이 더 높음을 설명하는 그림./KIST 제공
    연구팀은 이를 통해 물속이 아닌 공기 중에서도 이산화탄소를 일산화탄소로 바꿀 수 있는 인공광합성 시스템을 개발했다. 이산화탄소가 물에 잘 녹지 않아 효율이 떨어지는 문제를 해결해 일산화탄소 생산효율을 100배 이상 높이는 데 성공했다.

    오 박사는 "이번 연구는 세계 최초로 진행돼 큰 의미가 있다"며 "실용화를 위해서 경제성을 높이고 내구성과 성능을 더 높이는 추가 연구가 필요하다"고 말했다.

    연구성과는 에너지환경 분야 국제 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 최신호에 게재됐다.

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