꿈의 인공광합성 기술, 현실이 될까?

탄소의 순배출량을 ‘0’으로 만든다는 의미인 ‘탄소중립*’을 실현하기 위한 인공광합성 기술을 국내 연구진이 현실로 만들고 있습니다. 인공광합성 기술은 자연 광합성을 모방해 식물처럼 햇빛을 받아 이산화탄소를 에틸렌, 메탄올, 에탄올 등과 같은 고부가가치 화합물로 전환하는 기술입니다. 하지만, 경제성 및 기술적 한계로 인해 실험실 수준의 연구에만 머물러 있었죠. 태양전지 연구와 이산화탄소 전환 연구로 분리되어 각각 진행 되어왔습니다. 진정한 의미의 인공광합성을 구현하기 위한 연구는 작은 면적으로 실험실 조건에서만 진행됐을 뿐입니다.

*인공광합성: 식물이 햇빛을 이용해 이산화탄소와 물을 포도당으로 만드는 자연광합성을 모사하는 기술로 화학적으로 안정하면서, 고온에서 환원제로 사용될 수 있어 화학, 금속 및 전자산업에 활용될 수 있다.

대면적 상용 실리콘 태양전지와 결합한 가지형 은-촉매 전극의 이산화탄소 전환 시스템 및 인공광합성 장비 사진. 출처 : KIST

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 청정에너지연구센터의 오형석, 이웅희 박사 연구팀이 경희대학교(경희대, 총장 한균태) 유재수 교수팀과 함께 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에서 높은 효율로 일산화탄소를 얻을 수 있는 나노미터 크기의 가지 모양 텅스텐-은 촉매 전극을 개발하고, 이산화탄소 전환 시스템을 상용 실리콘 태양전지와 결합하여 실제 태양광에서 구동 가능한 대규모 인공광합성 시스템을 제작했다고 밝혔습니다.

KIST 연구진은 기상 이산화탄소 전환 일산화탄소 생성 시스템에 적용할 수 있는 새로운 텅스텐-은 촉매를 개발했는데요. 해당 촉매는 기존 은 촉매에 비해 60% 이상 향상된 일산화탄소 생산 효율을 보였으며, 100시간 동안의 시험에도 안정적이었습니다. 또한, 촉매 소재 관점에서 개발된 가지형의 텅스텐-은 촉매의 성능과 내구성이 개선된 원인을 전자현미경, 실시간 분석법 등을 통해 촉매의 3차원 구조와 가지 모양의 결정구조 덕분에 높은 효율을 보임을 밝혀냈습니다.

가지 형태 은-촉매의 합성 개요도 및 전자현미경 이미지. 출처 : KIST

연구진은 촉매 개발에서 한 단계 더 나아가 해당 촉매를 이용한 이산화탄소 전환 시스템을 120cm2 크기의 실리콘 태양전지와 결합하여 인공광합성 시스템을 개발했으며 상용화된 태양전지에 연결해도 무리 없이 사용가능함을 보였습니다. 해당 시스템은 현재까지 개발된 실리콘 태양전지 기반 인공광합성 시스템 중 가장 높은 수준인 12.1%의 높은 태양광-화합물 전환효율을 달성했는데요. 실험실이 아닌 실제 실외 환경에서 햇빛만으로 이산화탄소를 일산화탄소로 고효율로 전환하는 데 성공한 것입니다.

KIST 오형석 박사는 “상용 실리콘 태양전지를 이용하여 실제 환경에서 햇빛으로 직접 구동되는 진정한 의미의 인공광합성 시스템을 구축했다.”라며, “본 연구를 바탕으로 고효율 인공광합성 기술이 실용화된다면, 제철소와 석유화학 공장 등에서 발생하는 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하여 온실가스를 저감할 수 있으며, 석유화학 공정에서 생산되는 기초 화합물들을 ‘탄소중립’이 실현된 인공광합성 방법을 통해 생산할 수 있다.”라고 밝혔습니다.

오형석 박사연구팀이 인공광합성 시스템을 실험하고 있다. 출처 : KIST

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 「Applied Catalysis B: Environmental」 (IF: 16.683, JCR 분야 상위 0.943%) 최신 호에 게재되었습니다.

논문명 : W@Ag dendrites as efficient and durable electrocatalyst for solar-to-CO conversion using scalable photovoltaic-electrochemical system

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