인공광합성 효율을 향상 시킬 수 있는 3차원 광촉매 기술이 개발됐다. 이번 연구는 일정하게 정렬된 3차원 광촉매 구조체 표면에서 전하운반체의 이동경로를 파악, 인공광합성 반응 경로 규명에 관한 새로운 이정표를 제시했다는 평가다.
박현웅 경북대 에너지공학부 교수팀은 박이슬 디지스트(DGIST) 박사와 공동으로 3차원 텅스텐 산화물 광촉매 구조체 (이하 3차원 광촉매)를 제작했다. 또 3차원 광촉매가 태양광을 받았을 때 발생하는 공간적 태양광 흡수율 변동과 나노 초(10억분의 1초) 영역에서 전하운반체 이동 시간 및 경로를 밝혀냈다.
이산화탄소를 화학연료로 전환하는 인공광합성은 글로벌 기후 변화에 대응할 수 있는 핵심기술로 각광받고 있다. 광촉매는 빛에너지를 화학에너지로 바꿔주는 물질로, 태양광 흡수량이 높고 전하운반체 이동이 빠를수록 연료화 효율이 높아진다.
기존 연구에서 3차원 구조의 광촉매가 2차원 박막 형태 광촉매보다 효율이 높은 것은 규명됐으나 구조 변화에 따른 3차원 광촉매 내부의 작용 원리에 대한 연구는 부족했다. 광촉매에서 발생되는 양성자-전자쌍 수명이 너무 짧아 광촉매 표면의 전하운반체 이동 경로를 파악하는데 어려움이 있었다.
박 교수팀은 3차원 광촉매를 원기둥 형태로 제작, 유한차분 시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 통해 원기둥 상단 특정 부분에서 태양광 흡수율이 향상되는 것을 확인했다. 또 광촉매의 형광수명을 측정한 결과 원기둥 광촉매 표면의 가장자리에서 전하운반체가 빠르게 이동하는 것을 확인할 수 있었다.
박 교수팀은 태양광을 활용해 이산화탄소로부터 화학연료를 생산하는 연구를 진행해왔으며, 2016년도 2차원 텅스텐 산화물로부터 약 3.5% 인공광합성 효율을 얻는다는 연구 결과를 국제학술지 `나노 에너지`에 발표한 바 있다.
박현웅 교수는 “이번 3차원 광촉매의 반응 경로 규명은 인공광합성 효율을 높이기 위한 다양한 시스템을 구성하는데 중요한 지표가 될 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
이번 연구는 `한국 이산화탄소 포집 및 처리 2020(Korea CCS 2020)` 사업의 지원을 받아 이번 연구를 수행했다. 이번 연구 결과는 최근 에너지 환경 분야 세계적인 학술지인 `에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science) 온라인판에 게재됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
