이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 주범이다. 그래서 이산화탄소를 다른 물질로 전환해 환경문제를 해결하려는 노력이 활발하다. 그런데 이산화탄소는 구조적으로 매우 안정적이라 다른 물질로의 전환이 쉽지않다. 한편 식물의 엽록소에 있는 '포피린'이란 화합물은 가시광선 중에서도 파장이 길고 에너지가 낮은 적색 빛도 잘 흡수한다. 태양광 발전에서 사용되지 않고 버려지던 적색 빛으로 광에너지를 포집함으로써 이산화탄소를 합성 연료로 전환할 수 있는 번뜩이는 방법을 국내 연구진이 찾아냈다. 

고려대 손호진 교수팀은 태양광 에너지 중에서 적색 빛을 이용해 이산화탄소를 합성 연료로 전환할 수 있는 기술을 개발했다고 한국연구재단이 15일 밝혔다.

이산화탄소를 전환하는 기존의 기술은 고가의 전기, 열에너지를 투입하는 이율배반적인 방식이다. '배보다 배꼽이 더 큰' 한계를 안고 있는 것이다. 인공광합성을 이용하는 이산화탄소 전환 연구도 촉매 효율이 낮고 전환 반응이 안정적이지 못하다.

손 교수팀은 고효율 태양광 포집기술을 적용해 이산화탄소 전환용 광촉매를 개발했다. 이를 통해 이산화탄소를 일산화탄소 중간물질로 전환함으로써 합성연료를 얻는 길을 열었다.

연구팀은 식물이 광합성 할 때 빛을 포집하는 클로로필과 비슷한 포피린 염료를 활용했다. 포피린은 태양광에 장시간 노출되면 쉽게 분해된다. 그래서 이에 산화물반도체를 결합해 광안정성을 획기적으로 끌어 올렸다. 그 결과 포피린 만으로 된 광촉매보다 전환효율이 10~20배 높아졌고, 4일 이상 연속 사용해도 촉매반응이 지속되었다.

포피린은 식물의 엽록소에서 발견되는 화합물이다. 태양전지 등 다양한 분야에 활용된다. 특히 포피린은 가시광선 중에서도 파장이 길고 에너지가 낮은 적색 빛도 잘 흡수한다. 태양광 발전에서 사용되지 않고 버려지던 적색 빛으로 광에너지를 포집함으로써 이산화탄소 환원 반응을 안정적으로 유도할 수 있다.

손 교수는 "이번에 개발된 광촉매는 향후 대용량 이산화탄소 전환에도 적용할 수 있다"며 "기후변화 대응과 환경산업 발전에 큰 기여를 할 것"이라고 말했다. 

이번 연구는 교육부·한국연구재단 대학중점연구소지원사업, 이공학 개인기초연구지원사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 연구 성과를 담은 논문은 화학 분야 국제저널 'ACS Catalysis' 이달 9일자에 실렸다. 다음은 연구팀과의 일문일답

- 연구를 시작한 계기는 무엇이었나.

▲현재의 이산화탄소 전환 연구는 에너지 비용을 과다하게 지불하는 이율배반적인 기술 수준에 머물러 있다. 전기에너지 공급을 통한 전기화학적인 전환 방법, 추가 에너지 투입에 의한 이산화탄소를 환원하는 연구 등이 대표적이다. 우리 연구는 이런 단점을 극복하기 위해 시작됐다. 연구 결과 값싼 이산화티탄 무기반도체를 이용한 다기능성 삼성분계 하이브리드 광촉매 개발에 성공했다.

- 연구 과정에 대해 설명해달라.

▲이번 과제의 책임자인 고려대 손호진 교수는 2014년부터 이산화탄소 환원을 위한 인공광합성 분야 연구를 진행해 왔다. 4년 간 유기-무기 하이브리드 소재 기반의 반도체 소재에 대한 축적된 기술을 바탕으로 광흡수제 및 이산환탄소 전환 촉매에 대한 소재합성 기술 및 분석 지식을 확보하고 이를 하나로 통합하고 최적화하는 기술을 개발했다. 이번에 하이브리드 광촉매 기술 개발을 통해 낮은 에너지인 적색 빛 아래에서 효과적으로 이산화탄소를 전환시켰으며, 세계 최고 효율과 함께 높은 내구성을 보여주었다. 

-연구 과정에서 어려움이 있었다면 무엇이었나.

▲이번 연구는 유기합성, 전기화학, 고체화학, 광화학, 계산화학, 촉매화학에 대한 다학제적 접근이 필요하다. 연구에 참여하는 대학원생들이 기본소재의 물리적특성·광특성·촉매특성 뿐 아니라 융합된 나노분야의 기술을 깊이 이해해야 하는 어려움이 있었다. 이에 따라 연구를 중도에 포기하거나 흥미를 잃는 학생도 일부 있었다. 이런 어려움을 극복하기 위해 연구팀은 연구실 신입생을 대상으로 다양한 서적과 논문으로 진행하는 세미나를 수개월간 진행했고 이를 기반으로 시뮬레이션을 진행해 기본적인 이론을 터득한 뒤 메인 연구를 진행했다. 학제 간 융합연구라는 것이 매우 어려운 일임을 깨닫았다. 

-이번 연구의 성과에 대해 말해달라.

▲인공광합성 연구에서 자연계 엽록소와 비슷한 구조를 가진 포피린 염료의 적용은 많은 연구그룹들에 의해 연구돼 왔지만 전반적으로 낮은 광안정성으로 인해 촉매효율이 초기에 저하되는 문제점이 있었다. 이에 따라 낮은 에너지의 빛을 사용해 포피린 염료가 광촉매 시스템에서 안정적으로 구동되도록 했다. 그 내구성을 100시간 이상으로 유지시켰다. 광촉매 효율의 경우 최대 1000이상의 TON값을 보였다. 

-앞으로의 연구 계획에 대해 말해달라.

▲이산화탄소를 친환경적으로 재연료화해 지구온난화 문제를 해결하고 상업적으로 고부가가치 밸류체인을 만드는 기술을 개발하고 싶다. 

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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