KIST, 실제 환경서도 내구성 뛰어난 전기화학 인공광합성 촉매 개발

[이데일리 이연호 기자] 한국과학기술연구원(KIST)은 국가기반기술연구본부 민병권 박사 연구팀이 인공광합성 기술의 실용화에 한 걸음 더 가까이 가기 위해 고도로 정제된 실험실 환경에서 벗어나 실제 환경에서도 장시간 동안 안정적으로 구동될 수 있는 전기화학 인공광합성 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

(위-좌) 태양광과 연계한 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 계략도. (위-우) 개발된 질소 원소가 함유된 탄소나노튜브 촉매 모식도. (아래) 개발된 탄소 촉매의 수돗물 환경 내에서의 120시간 안정한 이산화탄소 전환 성능. 그래픽=KIST.

인공광합성 기술은 태양광을 이용해 지구 온난화의 주범으로 알려진 이산화탄소를 부가가치를 갖는 물질로 전환함으로써 자원화할 수 있는 에너지·자원 분야의 꿈의 기술이라고 할 수 있다.

인공광합성 기술의 실현을 위해서는 화학적으로 매우 안정된 상태에 있는 이산화탄소를 손쉽게 변환하기 위한 높은 효율을 갖고 그 효율을 안정적으로 유지할 수 있는 촉매가 필요하다. 이런 효율과 내구성이 높은 이산화탄소 변환 전기화학 촉매를 개발하기 위해 전 세계적으로 수많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 대부분 실험실 환경의 연구에 머무르고 있어 실제 적용까지는 길이 멀다.

현재까지 대부분 연구자는 다양한 불순물로부터 생기는 변수를 최소화하기 위해 고도로 정제된 증류수를 사용해 촉매를 개발해 왔다. 하지만 이렇게 개발된 촉매들은 대량 생산을 위한 실제 환경에 적용될 경우 고도로 정제된 실험실 환경과 동등한 성능 및 안정성을 보이기는 힘들다.

KIST 연구진은 이 같은 문제점을 극복하기 위해 이산화탄소 변환 전기화학 시스템의 가장 기본 구성 요소인 전해질을 초고순도의 증류수가 아닌 일상생활에서 가장 쉽게 접할 수 있는 대표적 실용수인 수돗물로 바꿨다. 또 은 촉매를 이용해 수돗물의 성분 중 철 성분이 촉매의 성능을 가장 크게 저하한다는 것을 밝혔다.

KIST 연구진은 실제 물(수돗물)을 사용하는 환경에서도 내구성을 높이기 위해 촉매를 철 성분으로부터 보호했다. 이를 위해 금속 불순물이 증착돼도 문제가 없도록 탄소나노튜브에 질소 원소가 함유된 형태의 촉매를 개발했다. 이 촉매는 고가의 상용 촉매인 은 촉매에 버금가는 이산화탄소 전환 성능을 보였고 수돗물 환경에서도 20분 이내에 성능이 80% 이상 감소하는 은 촉매와 대비해 전례 없는 기록인 120시간 동안 안정적인 성능을 보였다.

탄소나노튜브섬유(carbon nanotube fiber)는 탄소만으로 구성된 원통형의 나노 구조체로 구성된 매크로 섬유다.

KIST 민병권 본부장은 “이 연구로 밝혀진 내구성 저해 요소와 탄소 기반 촉매의 장시간 내구성 확보 결과를 통해 인공광합성 기술의 실용화 가능성을 더욱 높일 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행됐으며 연구 결과는 촉매 분야 최고 수준 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ 최신호에 게재됐다.