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이산화탄소로 천연가스 만드는 ‘신개념 촉매’ 개발

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2018년 08월 06일 22:12 프린트하기

DGIST 연구팀이 개발한 광촉매 모식도. 이산화탄소를 메탄이나 에탄으로 선택적으로 전환할 수 있다. DGIST 제공
DGIST 연구팀이 개발한 광촉매 모식도. 이산화탄소를 메탄이나 에탄으로 선택적으로 전환할 수 있다. DGIST 제공

 

이산화탄소(CO₂)는 지구온난화의 주요 원인으로 꼽힌다. 이런 이산화탄소를 이용해 새로운 에너지나 각종 화학물질을 만드는 것을 ‘탄소재활용’ 기술이라고 부른다. 

 

대구경북과기원(DGIST) 에너지공학전공 인수일 교수팀은 이산화탄소를 이용해 메탄과 에탄, 두 종류의 천연가스 부산물질을 자유자재로 생산하는 새로운 탄소 재활용 기술을 개발했다고 6일 밝혔다. 지구온난화 및 에너지자원 고갈 문제 해결에 보탬이 될 것으로 기대된다.

 

메탄(CH₄)이나 에탄(C₂H₆))은 모두 ‘탄화수소계 연료’로 구분한다. 주로 천연가스에서 추출하며 두 가지 모두 자동차나 난방 등의 연료로 쓸 수 있다. 태양빛으로 이산화탄소를 물(H₂O)과 반응시켜 메탄이나 에탄을 얻는 친환경 탄소재활용 기술은 과거에도 있었지만 화학반응을 큰 폭으로 끌어 올릴 ‘광촉매’ 기술이 미진했다. 

 

연구진은 이산화티타늄에 첨단 미래 소재로 불리는 ‘그래핀’을 씌워 새로운 촉매를 만들었다. 이 촉매를 이용해 광반응을 이끌어낸 결과, 기존보다 효율을 높이면서 이산화탄소로 메탄과 에탄을 자유롭게 선택해 생산하는 것이 가능했다. 기존에 연구되던 ‘이산화티타늄’ 광촉매 보다 메탄 5.2%, 에탄은 2.7% 높아진 전환율을 나타냈다. 에탄 생성량은 비슷한 실험 조건에서 세계 최고 효율이다.

 

연구팀은 이 과정을 관찰하던 과정에서 이산화티타늄과 그래핀 계면에서 전자가 움직이는 과정을 관찰해하는데 처음으로 성공했다. 이 전자에 반응해 메탄과 에탄이 생성하게 되는 원리로, 광화학반응 과정의 기본 원리를 밝혀낸 것이다. 이 연구는 제임스 듀란트(James R. Durrant) 영국 임페리얼칼리지런던(ICL) 화학과 교수팀과 공동으로 진행했다.

 

연구팀은 이번에 개발한 촉매 물질을 이용하면 향후 고부가가치 물질 생산 등 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대하고 있다. 인수일 교수는 “앞으로 상용화가 가능할 정도로 전환율을 높이는 후속 연구를 진행해 이산화탄소 저감 및 자원화 기술 발전에 기여하겠다”고 말했다. 

 

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지인 ‘에너지 & 인바이러멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 7월 19일자 온라인판에 게재됐다.

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