한국에너지공대 강영수 교수 연구팀은 이산화탄소를 에탄올로 고효율의 경제적이면서 선택적으로 전환할 수 있도록 환원전위를 조절하고, 적절한 BiVO4 광양극과 코어-쉘 구조의 ZnO@ZnTe를 기능화한 광음극을 개발하여 최적화된 광전기화학적 시스템을 구성했다. 켄텍 제공

한국에너지공대(총장 윤의준, 켄텍(KENTECH)) 강영수 교수 연구팀이 지구 온난화의 주범인 이산화탄소(CO2)를 광전기화학적인 방법에 의해 높은 선택성과 고효율의 에탄올(CH3CH2OH)로 전환하는 기술을 개발했다.

22일 켄텍에 따르면 선형 구조의 이산화탄소 분자는 물리화학적으로 매우 안정적이기 때문에 일반적인 환원반응을 통해 연료물질로 변경시키기 위해서는 많은 에너지와 고가의 희귀 금속 촉매가 사용되어 현재까지 경제적으로 이를 달성할 수 있는 기술이 없는 실정이다.

이를 극복하기 위해 전세계적으로 많은 연구가 진행되고 있는데, 최근 광전기화학적인 방법으로 이산화탄소를 연료로 전환하는 기술이 개발되고 있다. 그러나 효율이 낮고 생성물의 선택성이 없어 기술적인 한계에 부딪힌 상태다.

에탄올은 화학산업의 기초 물질 중의 하나로 연료뿐만 아니라 화학산업의 원료로도 활용이 가능해 경제성이 뛰어나지만 일반적으로 석유에서 뽑아낸 에틸렌으로부터 제조하거나 효모로 탄수화물을 발효시켜서 만들기 때문에 많은 에너지와 복잡한 공정이 필요하다.

강 교수 연구팀은 이산화탄소를 에탄올로 고효율의 경제적이면서 선택적으로 전환할 수 있도록 환원전위를 조절하고, 적절한 BiVO4 광양극과 코어-쉘 구조의 ZnO@ZnTe를 기능화한 광음극을 개발해 최적화된 광전기화학적 시스템을 구성했다.

이후 해당 시스템에 광을 조사하는 방법에 따라 에탄올이 선택적으로 생성되는 것을 확인했다.

이 기술은 태양광을 활용해 기존 메탄올 제조에 필요한 6개 전자 전달의 두 배에 해당하는 12개의 전자를 광전기화학적인 방법으로 이산화탄소에 전달해 선택적으로 전환하는 화학반응을 일으켜 에탄올로 제조한다.

산업현장에서 배출되는 이산화탄소를 에탄올로 전환할 때 태양광을 이용하기 때문에 최소한의 에너지를 소모하는 장점이 있어 탄소중립 사회를 위한 핵심적인 원천기술로 주목된다.

앞서 2020년도부터 강 교수는 한국연구재단의 리더연구자지원사업에 선정돼 태양광으로 이산화탄소를 액체연료로 전환하는 연구를 진행하면서 이미 이산화탄소를 포름알데하이드(HCHO), 메탄올(CH3OH) 혹은 에탄올 (C2H5OH) 등의 액체연료로의 전환에 관련된 원천기술을 확보, 에너지 과학 기술 관련 세계적인 저널에 논문들을 발표했다.

해당 기술은 지난 10월 1일 에너지 분야 세계적 권위 학술지인 'Advanced Energy Materials'(IF 29.368)에 발표하는 성과를 냈다.

연구팀 관계자는 "2023년부터 2025년까지 리더연구자지원사업을 통해 실제 산업에서 활용할 수 있도록 기존에 개발된 기술들에 대해 효율을 높이고, 연속 공정 및 대용량 원천기술 개발에 전념할 계획"이라고 밝혔다.