국내 연구진이 나뭇잎처럼 햇빛과 이산화탄소, 물을 이용해 화학산업 원료로 사용되는 탄소화합물을 생산하는 세계 최고 수준 효율의 인공광합성 장치를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 민병권·황윤정 박사팀은 17일 태양전지기술과 촉매기술을 융합, 태양광 에너지만으로 작동하는 일체형 인공광합성 소자 기술을 개발해 4.23%의 효율로 일산화탄소(CO)를 생산하는 데 성공했다고 밝혔다.

KIST 기관고유 미래원천사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 오는 21일 국제학술지 '재료화학 A 저널'(Journal of Materials Chemistry A)에 게재될 예정이다.

자연의 광합성을 모방해 화석연료나 바이오매스 같은 태양에너지 저장 매개체를 거치지 않고 태양에너지를 고부가가치의 화합물로 바꾸는 인공광합성 기술은 최근 지구온난화 등 기후변화가 심화하면서 친환경적 미래기술로 주목받고 있다.

연구진은 4.23%의 인공광합성 소자 효율은 1% 수준인 나뭇잎이나 현재 알려진 인공광합성 소자의 최고효율(1.8%)을 크게 높인 것으로 향후 효율을 10%까지 올리면 산업화가 가능할 것으로 내다봤다.

인공광합성 기술을 완성하려면 태양광을 흡수해 전자를 만드는 광전극 기술과 물을 분해해 수소 이온을 생산하는 촉매 기술, 이산화탄소를 유용한 화합물로 바꾸는 촉매기술 등 여러 요소기술이 융합돼야 한다.

연구진은 저가 박막태양전지 기술을 촉매 기술과 융합해 광전극의 안정성을 획기적으로 높이는 기술을 개발, 환원전극 촉매 종류를 바꾸는 방식으로 원하는 고부가가치 화합물을 생산할 수 있는 소자를 구현했다.

이 인공광합성 소자는 구리·인듐·갈륨·황(CIGS)으로 구성된 반도체 물질을 광흡수층으로 사용한 박막 태양전지기술로 전자를 생산하고, 저온 코팅 코발트산화물 촉매는 물을 분해해 산소와 수소 이온(H＋)을 만든다.

나노촉매 기술로 금이나 은으로 만든 환원전극은 물속의 이산화탄소(CO₂)를 일산화탄소(CO)로 전환시킨다. 환원전극 금속을 금이나 은에서 비스무트(Bi)로 바꾸면 개미산(Formic acid)를 생산할 수 있다.

일산화탄소와 개미산은 모두 탄소 하나짜리 화합물로 다양한 화학산업 원료로 사용되며 일산화탄소는 t당 가격이 130만원이 넘는다.

연구진은 향후 연구를 통해 인공광합성 효율을 10%까지 올리면 100㎢ 면적에서 하루 6시간씩 가동해 연간 8백만t의 일산화탄소를 생산할 수 있다고 설명했다.

민병권 박사는 "이 인공광합성 소자 기술은 태양전지처럼 패널형으로 제작, 설치할 수 있어 태양광만으로 고부가가치 화합물을 직접 대량 생산하는 미래형 화학원료·연료 생산 시스템으로 발전할 수 있다"며 "본격적인 연구 투자 및 개발이 진행되면 10년 내 실용화가 가능할 것"이라고 말했다.