이산화탄소를 포집해 부탄올과 같은 고부가가치 화합물을 만드는 기술개발이 시도되고 있지만, 기술적 한계와 생산비용 문제로 어려움을 겪고 있다.

탄소사슬은 고부가가치 화합물 생산에서 가격을 결정하는 요소로, 사슬이 길어질수록 가격이 높다.

이는 고탄소가 늘수록 탄소-탄소 커플링 반응에 더 많은 에너지가 소요되고 부산물도 생겨나 고비용 분리정제 기술이 요구되기 때문이다. 

때문에 탄소사슬 길이가 길고 동시에 부산물의 정제 및 분리가 필요치 않은 1개 화합물만을 선택적으로 생산할 수 있는 기술 개발이 가장 중요하다.

이산화탄소를 고부가가치 부탄올로

한국연구재단은 성균관대 이효영 교수팀이 새로운 가시광촉매를 활용해 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하는 ‘이산화탄소 포집 및 활용 기술(CCU) 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

연구팀은 이산화탄소를 부탄올로 전환하는 광촉매 방법에 효율성과 선택성을 높일 수 있는 결정면 엔지니어링을 결합, 이산화탄소 분자로부터 탄소사슬이 4개인 부탄올을 최대 60%의 선택성으로 생산하는 데 성공했다.

광촉매 결정면 엔지니어링은 표면 원자 배열에서 발생하는 독특한 결정면에 의존하는 특성을 활용해 성능을 향상시킨다.

연구팀은 이산화탄소 환원에 유망하면서도 불안정성으로 한계가 있는 산화세륨(111)(CeO₂)과 전하분리 특성이 뛰어난 산화구리(100)(Cu₂O)를 결합해 새로운 가시광촉매를 구성했다. 

CeO₂는 팔면체 결정구조를 가지며 밴드갭이 3.2eV인 광전도성 반도체 물질이고, Cu₂O는 정육면체 결정구조에 밴드갭이 2eV인 광전도성 반도체 물질로 가시광을 흡수한다.

연구팀은 촉매 성능에 영향을 미치는 Cu₂O 결정면을 정밀 제어해 부탄올에 대한 선택성을 향상시켰다. 

이 방법은 햇빛을 사용하는 친환경 방법으로 고부가가치 부탄올을 생성할 수 있는 방법을 제시하고, 부탄올 형성에 관여하는 다단계 양성자 결합 전자 전달 메커니즘을 규명하는 데 유용하다.

이 교수는 “이번 연구는 광촉매 성능 향상을 위한 계면 효과를 이해하는 명확한 관점과 지속가능한 화학 생산을 위한 귀중한 통찰력을 제공한다”며 “지구온난화 주범인 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 상품화함으로써 인류 난제를 해결하고 탄소중립 실현에 한 걸음 다가갈 것으로 기대된다”고 설명했다.

한편, 이번 연구결과는 국제학술지 ‘응용촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)’ 지난달 3일 온라인에 게재됐다. 
(논문명: Enhancing Photocatalytic CO₂ Reduction to Butanol by Facet-Dependent Interfacial Engineering of CeO₂/Cu₂O)