CO2감축은 선택이 아닌 필수이며 이의 자원화가 답이다

대기 중 이산화탄소(CO2)농도 증가로 인한 지구온난화로 세계는 대규모 홍수, 가뭄, 혹서 등 자연재해에 시달리고 있다.

최근 CO2를 전환하여 산업자원으로 이용하는 CCU(Carbon Capture and Utilization) 기술에 집중하고 있다. 탄소가격제(carbon pricing)에 따라 CO2 감축에 의한 경제적 이득에 추가하여 이를 청정 수소연료, 메탄올, DME와 같은 화학원료 등 화학소재로 전환하는 기술이 개발되고 있다. 기후변화의 주범인 CO2가 이제는 돈이 되는 시대가 된 것이다.

세계경제포럼은 태양광을 이용해 지구온난화의 주범인 CO2를 감축하면서 다양한 연료로 변환할 수 있는 '태양광 화합물'을 2020년 10대 유망기술로 선정했다. CO2의 전환 반응을 위해서는 외부로부터 많은 에너지가 요구되는데 지구에서 가장 풍부한 에너지원인 태양광을 이용한 CO2의 산업자원화는 가장 친환경적이며 핵심적인 미래기술로 떠오르고 있다.

광전기화학적 인공광합성에 의한 화학연료전환

기본적으로 CO2의 화학적 전환은 기술적 특성에 따라 열촉매 화학적 전환, 광화학적 전환, 전기화학적 전환 등으로 나눌 수 있다. 열역학적으로 CO2환원에 의한 물의 분해는 에너지증가(Uphill)반응이다. Gibbs 자유에너지(△G°=238kJ/mol)의 많은 증가를 수반하기 때문에 외부로부터 많은 에너지가 필요하다.

태양에너지는 친환경적인 에너지원이며 기술력만 확보한다면 무한하게 에너지를 무한대 이용할 수 있다는 장점이 있다. 인공광합성이란 자연계의 식물 잎에서 일어나는 광합성 메커니즘을 모방한 것으로 태양광을 에너지원으로 하여 CO2와 물로부터 수소, 탄소 및 산소로 구성되는 화합물을 합성하는 기술로 정의한다.

최근 들어 태양광에너지를 이용하여 CO2를 메탄올과 같은 액체연료로 전환하는 기술에 대한 연구가 국내외에서 활발하게 진행되고 있다. 물 산화공정에 대한 연구는 'Holy Grail'이라고 불리기도 하며 이의 산업화는 향후 경제적 파급효과가 매우 큰 분야로 인식되고 있다. 현재 태양광을 이용한 CO2자원화를 위한 최대의 난점은 전환 에너지의 과비용과 광촉매의 성능향상 및 전극에서의 과전압에 따른 에너지 손실이다.

Al, Ga 및 VIII 족 금속들 대부분은 수용액 상에서 CO2환원 반응에 대한 촉매활성을 가지고 있다고 알려져 있다. 그러나 현재까지 개발된 전극촉매는 CO2환원 반응에 대한 과전압이 높고 생성물에 대한 선택도 및 전류밀도가 낮은 문제점을 가지고 있다. CO2환원에 소요되는 과전위(Overpotential)를 줄이고 반응 중간체에 대한 에너지경로를 제어할 수 있는 고효율의 촉매가 개발되어야 한다. 앞으로 촉매과학, 광화학, 바이오 등의 다양한 도전적인 기술개발 연구가 많이 수행되어야 한다.

최근 미국에서 가장 큰 연구프로그램인 인공-태양광-연료생산기술(CO2, 태양광 및 물만으로 화학소재와 합성연료를 생산하는 기술)을 개발 중이다. 인공광합성을 통해 태양광-화합물을 생산하기 위해서는 물 분해반응이 반드시 일어나야 하며 이때 가장 많은 에너지가 필요하게 된다. 광전기화학적인 인공광합성 과정에서 특히 과전압에 의한 에너지 손실이 크기 때문에 물 분해를 용이하게 하고 전환효율을 높일 수 있는 촉매가 기술의 핵심이다. 광전기화학적인 인공광합성기술에서 물 분해와 CO2환원을 위한 고효율의 선택적 촉매기술이 연구의 중심이 되고 있다.

광전기화학적 인공광합성 촉매 기술

CO2의 광촉매 환원을 위하여 TiO₂, BiVO₄, BiWO6, Zn₂GeO₄ 같은 많은 광촉매가 연구되어 왔지만, C=O 결합이 매우 강하여 환원 효율이 낮고 대부분은 자외선(UV) 영역에서만 활성이 있다.

현재 태양광 광촉매로 사용 중인 'P25'는 밴드갭이 커서 가시광선을 흡수할 수 없고, 전하 전달이 느리다는 한계가 있다. 최근에 가시광 흡수와 전하 전달 문제를 해결하기 위해 여러 연구가 시도되었지만, 기상 반응에서 낮은 CO2흡착성능과 전환효율이라는 고질적인 문제로 고효율 광촉매 개발에 어려움이 있었다.

DGIST 보도 자료에 의하면(`23. 8. 1.) 금년 공기중 CO2를 에너지로 전환시킬 수 있는 광촉매를 국내 DGIST 연구진이 개발했다고 발표했다. 이 광촉매는 나노입자 조촉매와 루테늄 도핑조성을 최적화해 광학·전기적 물성 성능을 극대화했고, 동시에 하이드록시기 표면처리로 CO2 흡착량을 높여 우수한 메탄전환 성능을 확보했다. DGIST 연구팀은 이산화티타늄(TiO2)으로 이뤄진 P25에 가시광 흡수가 우수한 은(Ag) 나노입자 조촉매를 붙이고, 루테늄(Ru)도핑으로 전하전달 성능을 개선한 고효율 광촉매를 개발했다. 이번에 개발한 새로운 광촉매는 가시광 흡수, CO2 흡착, 전자 전달성능을 동시에 개선한 제품으로, 현재 상용화된 P25 광촉매보다 135배 더 많은 양의 메탄을 95%의 높은 선택도로 전환되고, 24시간 장기 운전에도 96% 이상의 안정성이 유지되는 우수성을 가지고 있다고 한다. 또한 연구팀은 "향후 기술 실용화를 위해 광촉매 안정성 향상과 탄화수소의 선택성을 높이는 후속 연구를 진행하겠다"고 밝혔다.