한국과학기술연구원(KIST)은 민병권 박사 연구팀(황윤정‧원다혜 박사)이 실험실이 아닌 실제 환경에서도 장시간 구동될 수 있는 인공광합성 질소 함유 탄소 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.
인공광합성은 태양광을 이용해 이산화탄소를 에너지로 쓸 수 있도록 변환시키는 기술이다. 이 기술을 실현하려면 화학적으로 매우 안정된 상태에서 지속적으로 이산화탄소를 쉽게 변환시킬 수 있는 촉매가 필요하다.
KIST 연구팀이 개발한 질소 함유 탄소 촉매 모식도.
현재까지 진행된 대부분 연구는 다양한 불순물로부터 생기는 변수를 최소화하기 위해 고도로 정제된 증류수를 사용해 촉매를 개발했다. 하지만 이렇게 개발된 촉매는 대량 생산을 위한 환경에 적합하지 않다.
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.
연구진은 수돗물 성분 중 철 성분이 촉매의 성능을 가장 크게 저하한다는 사실을 발견하고 촉매에 금속 불순물이 붙어도 반응을 일으키는 데는 문제가 없도록 하는 형태의 촉매를 개발했다.
이 촉매는 탄소나노튜브에 질소 원소가 함유된 형태로 철 성분으로부터 성능 저하를 보호하는 구조를 갖고 있다. 탄소나노튜브는 탄소만으로 구성된 원통형의 나노 구조체가 모인 일종의 섬유다.
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.
민병권 박사는 "이번 연구는 일반적으로 실험실 연구에서 간과할 수 있는 부분에 대한 고찰에서 시작했다"며 "새로 밝혀진 내구성 저해 요소와 탄소 기반 촉매의 장시간 내구성 확보 결과를 통해 인공광합성 기술의 실용화 가능성을 더욱 높일 것으로 기대한다"라고 밝혔다.
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