이산화탄소에서 부탄올 생산하는 CCU 기술 개발
- 새로운 가시광촉매와 결정면 엔지니어링 방법 결합해 화합물 생산 -
□ 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하는 CCU(Carbon Capture Utilization)* 인류 난제 기술이 개발되어 주목받고 있다.
* CCU(Carbon Capture Utilization) : 이산화탄소 포집 및 활용 기술
□ 한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대학교 이효영 교수 연구팀이 새로운 가시광촉매*를 활용해 이산화탄소로부터 순도가 높은 부탄올**을 생산하는 데 성공했다고 밝혔다.
* 가시광촉매: 가시광선 범위(400-700nm)의 빛을 흡수해 화학 반응을 촉진하고, 다양한 환경 문제를 친환경적이고 에너지 효율적으로 해결하는 데 유용한 물질.
** 부탄올: 냄새가 강한 무색의 가연성 액체. 4개 탄소 사슬을 갖고 있으며, 분자량은 74.123g/mol로 용매로도 사용할 수 있고 연료로도 사용할 수 있음.
□ 지구 온난화의 원인으로 작용하는 이산화탄소를 포집, 활용, 저장하는 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 하지만 고부가가치 화합물 제조 기술의 한계로 인해 활용 기술 개발에는 큰 어려움을 겪고 있으며, 생산 비용 역시 부담으로 작용하고 있다.
○ 고부가가치 화합물 생산에서 가격을 결정하는 것은 탄소 사슬이다. 이 사슬이 길어질수록 가격이 높아진다. 고탄소 개수가 늘어날수록 탄소-탄소 커플링 반응에 더 많은 에너지가 소비되고 부산물이 생겨나는 만큼, 고비용 분리정제 기술이 요구되기 때문이다.
○ 따라서 탄소 사슬 길이가 길고 동시에 부산물의 정제 및 분리가 필요치 않은 1개 화합물만을 선택적으로 생산할 수 있는 기술 개발이 가장 중요하다.
□ 이에 연구팀은 이산화탄소를 부탄올과 같은 유용한 자원으로 전환하는 광촉매 방법에 효율성과 선택성을 높일 수 있는 결정면 엔지니어링* 방법을 결합해 이산화탄소 분자로부터 탄소 사슬이 4개인 부탄올을 최대 60%의 선택성으로 생산하는 데 성공했다.
* 광촉매의 결정면 엔지니어링 : 표면 원자 배열에서 발생하는 독특한 결정면에 의존하는 특성을 활용하여 성능을 향상시키는 방법
○ 먼저 이산화탄소 환원에 유망한 광촉매지만 불안정성으로 한계가 있는 산화세륨(111)(이하 CeO2)*과 전하 분리 특성이 뛰어난 산화구리(100)(이하 Cu2O)**를 결합해 새로운 가시광촉매를 구성했다.
* 산화세륨(111)(CeO2) : 희토류 금속으로 팔면체 결정 구조를 가지며, 밴드갭이 3.2 eV으로 광전도성 반도체 물질임.
** 산화구리(100)(Cu2O) : 정육면체 결정 구조를 가지며, 밴드갭이 2 eV으로 광전도성 반도체 물질임. 가시광 흡수 가능함
○ 연구팀은 촉매 성능에 영향을 미치는 Cu2O 결정면을 정밀 제어해 부탄올에 대한 선택성을 향상시켰다.
□ 이효영 교수는 이번 연구에 대해 “광촉매 성능 향상을 위한 계면 효과를 이해하는 명확한 관점과 지속가능한 화학 생산을 위한 귀중한 통찰력을 제공한다”며, “온난화 주범인 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 상품화함으로써 인류 난제를 해결할 수 있는 탄소 중립 실현에 한 걸음 다가갈 것으로 기대된다”고 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 사업지원으로 진행된 이번 연구 결과는 국제 과학 저널 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)’에 2025년 2월 3일 온라인 게재됐다.
