- 햇빛으로 지구온난화가스를 자원화하는 탄소나노입자 광촉매 핵심 원천 기술 확보해

- 국제 학술지 켐켓켐(ChemCatChem) 온라인판 표지논문으로 게재

▲ 태양광을 이용하여 이산화탄소로부터 포름산을 선택적으로 제조하는 탄소 나노 입자 광촉매(Carbon Nanodot Photocatalyst) 인공광합성 시스템 논문표지 및 표지그림

※ ChemCatChem : 2017년 8월 23일 표지논문(Cover Picture) 게재

- 논문명 : New Carbon Nanodots-Silica Hybrid Photocatalyst for Highly Selective Solar Fuel Production from CO2

한국화학연구원(원장 이규호)은 추가에너지 투입 없이 태양빛만을 이용해 지구온난화의 주범인 이산화탄소로부터 화학 공업의 주원료인 포름산만을 불순물 없이 선택적으로 생성하는 태양광 화학공장 인공광합성 시스템용 새로운 탄소나노입자 광촉매를 개발했다고 밝혔다.

‘태양광을 이용하여 이산화탄소로부터 포름산*을 선택적으로 제조하는 탄소나노입자 광촉매(Carbon Nanodot Photocatalyst)를 이용한 획기적인 태양광 화학공장 인공광합성 원천기술’은 화학(연) 인공광합성연구그룹 백진욱 박사팀이 개발했으며, 촉매과학분야의 학술지 켐켓켐(ChemCatChem)**에 표지논문으로 게재되었다.

* 포름산 (HCOOH) : 고무 제품생산, 섬유 염색, 세척제, 향료, 살충제 제조 공업 및 연료전지 등을 만드는 데 필요한 중요 화학물질.

** 켐켓켐 (ChemCatChem) : 유럽에서 발간하는 촉매 관련 화학분야에서 권위있는 저널로 화학·생물·나노 촉매를 주로 다루며, 격주에 한 번 출간됨. 본 논문은 온라인판 8월 23일에 게재되었음.

태양광 공장(Solar Chemical Factory) 인공광합성시스템은 무한 청정한 태양 에너지를 전환하는 가시광 광촉매와 원료물질 그리고 그에 합당한 효소만 넣어주면 고부가 정밀화학제품을 선택적으로 생산할 수 있는 획기적인 개념이다.

※ 참고 자료 1 : 태양광 화학공장 용어설명

백진욱 박사 연구팀은 2012년 그래핀 광촉매를 최초로 개발 이를 태양광 공장 인공광합성시스템을 활용하여 이산화탄소로부터 화학원료로 사용되는 포름산 제조에 이어 2014년엔 메탄올을 선택적으로 제조할 수 있는 원천기술을 세계 최초로 개발하여 각각 Journal of the American Chemical Society誌에 하이라이트 논문으로 게재한 바 있다.

금번 연구에서는 기존의 그래핀 광촉매보다 가시광선 영역을 잘 흡수하고 동시에 월등히 저렴하고 간편하게 만들 수 있는 새로운 탄소 나노입자 광촉매를 개발했다. 즉 백진욱 박사팀은 구연산과 요소 수용액을 마이크로파에 9분 반응시켜 탄소나노입자를 만든 후, 이 탄소나노입자와 실리콘을 결합해 새로운 실리콘-탄소 나노 입자 광촉매를 생성했다.

▲ 태양광을 이용하여 이산화탄소로부터 포름산을 선택적으로 제조하는 탄소 나노 입자 광촉매(Carbon Nanodot Photocatalyst) 인공광합성 시스템 개념도

이번에 개발한 촉매는 안정적이며 아주 손쉽게 제조가 가능한 경제적인 새로운 형태의 고효율 실리콘-탄소 나노 입자 광촉매(Si-Carbon Nanodot Photocatalyst)다. 태양광에너지 만을 이용하여 이산화탄소를 직접적으로 전환하여 불순물 없는 포름산만을 100% 선택적으로 제조할 수 있는 획기적 인공광합성의 길을 제시하였다는 데 그 의의가 있다.

※ 참고 자료 2 : 태양광을 이용하여 이산화탄소로부터 포름산을 선택적으로 제조하는 탄소 나노 입자 광촉매 개념도, 논문표지 그림 및 인적사항

▲ 태양광 이용 화합물 선택적 제조용 태양광 화학공장(Solar Chemical Factory)개념도

화학(연) 백진욱 박사는 “태양광 인공광합성시스템은 지구온난화 및 에너지 자원고갈문제를 한 번에 해결할 수 있는 획기적인 미래형 원천기술이다. 향후 태양광을 이용해 의식주 모두를 해결할 수 있는 새로운 개념의 상용화 가능한 태양광 공장(Solar Chemical Factory)을 건설하는 것이 목표”라고 포부를 밝혔다.

 용어설명 

1.「태양광 화학공장(Solar Chemical Factory) 인공광합성시스템」이란?

태양광 화학공장(Solar Chemical Factory) 인공광합성시스템이란 식물의 자연 광합성 작용에 착안한 것으로, 둘의 가장 큰 차이점은 식물의 광합성은 이산화탄소를 고정하여 단순히 포도당을 만드는 반면, 본 태양광 공장 인공광합성시스템은 무한 청정한 태양광 에너지를 이용하여, 다양한 고부가가치의 화합물을 선택적으로 생산할 수 있다.

이를 달리 말하면, 전례동화에 나오는 도깨비방망이는 주문하는 말과 함께 뚝딱치면 원하는것이 뭐든지 나온다. 이러한 방식 데로 태양광에너지를 이용하여 원하는 정밀화학제품을 주문생산(tailor made) 할 수 있는 기초원천기술이 본 연구진에 의해 개발되었고, 이를 미래에 다양한 화학제품 제조시스템에 적용 실용화하는 새로운 패러다임의 학문의 장을 열 계획이다.

본 시스템은 크게 광촉매를 활용해 태양광에너지를 전환시켜주는 광에너지 전환부(I)와 전자전달시스템(II), 그리고 산화 환원 효소의 도움을 받아 정밀화학제품을 생성하는 '바이오촉매(효소) 반응부(III)'가 일체형으로 구성돼 있음. 따라서 "시스템 내에 원료물질과 그에 합당한 효소만 넣어주면 태양광 이외의 아무런 추가에너지 투입 없이 고부가 정밀화학제품을 선택적으로 생산할 수 있으며, 원료물질과 효소를 교체하면 촉매반응을 거쳐 다른 물질도 선택적으로 얻을 수 있다.

2. 탄소 나노 입자 광촉매란?

탄소 나노 입자 (carbon nanodots)는 입자 크기가 10 나노미터 이하인 지구에서 풍부한 탄소로 이루어진 구형의 탄소 나노 물질로서 낮은 독성, 낮은 가격 등의 일반적인 특징 외에도 높은 용해도와 바이오 친화적인 성질로 인하여 많은 주목을 받고 있으며 바이오센싱, 의약, 염료, 촉매와 같은 다양한 분야에 응용되고 있다. 최근에는 특히 탄소 나노 입자의 높은 가시광 흡광도와 광안정성으로 인하여 광전 소재로 활용된 예가 보고되었다. 따라서 그 기능적인 특성의 다양화가 무한하며 적용 범위는 현 기술수준에서의 상상을 초월할 것으로 예상되기 때문에 막대한 개발 잠재성을 갖고 있다.

본 연구자는 이러한 새로운 탄소 나노 입자 광촉매를 합성하기 위하여 친환경적이면서도 간단한‘역 마이크로유화(reverse microemulsion method)’방법을 개발하였으며 이렇게 합성된 광촉매를 최초로 태양광 이용 연료 생산을 위한 광촉매-효소 융합 인공광합성 시스템의 광촉매로서 적용하여 높은 선택도로 이산화탄소를 전환, 포름산을 생산 할 수 있는 인공광합성 시스템 개발에 성공하였다.

즉 구연산과 요소를 녹인 용액을 간단히 전자레인지를 이용하여 짧은 시간안에(9분) 가열 간단히 탄소 나노 입자를 합성하고 이를 다시 개면활성제 존재하에서 실리콘(Si)으로 가교하는 간단한 방법으로 고효율의 탄소 나노 입자 광촉매(Carbon Nanodots-Silica Hybrid Photocatalyst))를 합성하였다.