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'소량의 전기로 이산화탄소 분해'…광전극 촉매 개발

KAIST 오지훈 교수 "나노다공성 금박막·실리콘 광전극…전류 효율 90% 이상"

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 지구온난화 주범으로 꼽히는 이산화탄소(CO₂)를 햇빛과 적은 양의 전기로 분해해 화학산업 원료인 일산화탄소(CO)를 생산하는 광전극 촉매를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST) EEWS대학원 오지훈 교수팀은 23일 금(Au) 나노다공성 박막과 실리콘을 이용해 공급 전기의 90% 이상이 이산화탄소 환원에 사용되는 높은 전류 효율의 새로운 광전극 구조를 개발했다고 밝혔다.

나노다공성 금 박막과 실리콘 광전극
나노다공성 금 박막과 실리콘 광전극 실리콘 광전극 모식도(위)와 전자현미경 사진 [KAIST 제공]

지구온난화로 이산화탄소 배출량을 줄이고 배출된 이산화탄소를 포집해 저장 또는 활용하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 광전기화학적 이산화탄소 변환은 태양광 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 연료로 바꿔주는 기술로 주목받고 있다.

이산화탄소를 안정적으로 분해하려면 낮은 과전압으로 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시키는 우수한 촉매가 필요하다. 금은 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시키는 전기 촉매로 알려졌지만 비싸고 과전압이 비교적 높으며 수소가 많이 발생하는 문제점이 있다.

연구팀은 200㎚(나노미터=10억분의 1m) 두께의 금 박막 중 표면 20㎚가 나노 구멍으로 이루어진 나노다공성 금 박막을 제작해 이 문제를 해결했다.

이 금 박막은 480밀리볼트(mV)의 과전압에서 90% 이상이 이산화탄소 환원에 사용되는 높은 전류 효율을 보였다. 이전의 나노구조 촉매는 두께가 0.1㎜ 정도로 제작비가 많이 들고 공급 전류의 60∼70% 정도만 이산화탄소 환원에 사용돼 수소가 많이 발생한다.

연구팀은 또 나노다공성 금 박막을 촉매로 활용하기 위해 새로운 실리콘(Si) 광전극 구조를 개발했다. 이 광전극은 실리콘에서 생성된 광전압과 금 박막층의 높은 촉매 특성이 작용돼 더 적은 에너지로도 이산화탄소를 일산화탄소로 변환시킬 수 있다.

오지훈 교수는 "이 기술은 다양한 반도체나 촉매 재료에도 쉽게 적용 가능한 플랫폼 역할을 할 수 있을 것"이라며 "다른 연구자들이 이 광전극 구조를 적용해 이산화탄소 광전환의 효율을 높일 수 있을 것"이라고 말했다.

논문 제1 저자인 송준태 박사는 "발상의 전환으로 매우 간단하지만 중요한 새로운 타입의 광전극 구조를 개발, 효율적인 이산화탄소 환원이 가능해졌다"며 "생성물의 평형 전위보다 더욱 낮은 전위 조건에서 이산화탄소 환원 결과를 낸 것은 처음"이라고 말했다.

한국이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, 2월 8일자) 내면 표지 논문으로 게재됐다.

KAIST 오지훈 교수(왼쪽)와 송준태 박사
KAIST 오지훈 교수(왼쪽)와 송준태 박사[KAIST 제공=연합뉴스]

scitech@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지> 2017/02/23 09:34 송고

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