경제성을 대폭 높인 이산화탄소 제거 촉매가 나왔다.

나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장 (성균관대학교 화학과)은 아나타제-루타일 구성의 이산화티타늄을 이용하여 선택적으로 한상을 환원시켜 가시광선 흡수율을 대폭 향상 시킨 촉매를 개발했다. 가시광선으로 화학반응이 가능해 실내에서 사용할 수 있는데다, 연료로 변환 가능한 일산화탄소를 일반 촉매보다 200배, 기존의 가장 우수한 촉매보다 15배 많이 생산할 수 있어 수익성이 향상됐다.

‘아타나제-루타일 이산화티타늄 이산화티타늄(TiO2): 무색 또는 백색 분말로서 냄새와 맛이 없다. 같은 이산화티타늄이라도 분자구조에 따라 아나타제 결정과 루타일 결정 두 가지 상을 이룰 수 있다. 가장 흔히 쓰이는 이산화티타늄은 75% 아나타제 결정과 25% 루타일 결정의 혼합으로 이뤄져 있다. (TiO2)’ 은 한 해 500만 톤 이상 소비되어 자외선 차단제, 탈취·살균제 등에 쓰인다. 자외선을 흡수하면서 물과 이산화탄소를 메탄, 일산화탄소, 그리고 다량의 산소로 변환하는 촉매다. 하지만 이러한 이점에도 불구하고 이산화티타늄은 자외선만을 흡수하기에 일상생활에서 사용하기엔 큰 무리가 있어 연구자들은 지난 50년이상 가시광선을 흡수할 수 있는 이산화티타늄 개발에 많은 노력을 기울여왔다. 특히 가시광선까지 흡수하는 가시광촉매는, 자외선만 흡수하는 기존 촉매보다 많은 에너지를 활용하면서 다중이용시설인 병원·지하철·학교·아파트 등 실내에서 작동해 촉매 연구의 핵심 과제로 여겨졌다.

연구진은 지난 2016년 아나타제-루타일 이산화티타늄에서 루타일 결정만을 환원해서 ‘결정아나타제-비결정루타일 이산화티타늄’제조에 성공하였다 (Energy & Environmental, 2016, 9, 499, IF 33.250). 3년동안 각고의 연구끝에 아나타제결정만을 환원시킬 수 있는 방법을 개발 (ACS applied materials & interface, 2019, 11, 39, IF 8.456)하고 저자 이름을 따‘이효영의 블루 이산화티타늄’으로 이름 붙였다. 또 기존 이산화티타늄 환원 공정이 고온·고압의 기체를 다뤄 위험성이 큰 데 비해 앞선 2가지 공정 모두 상온·상압에서 액체상에서 제조되어 안전하다는 장점이 있다. 이로서 광촉매 특성이 가장 우수한 아나타제-루타일 이산화티타늄 혼합상에서 루타일 결정뿐만 아니라 아나타제 결정까지 원하는 결정을 선택적으로 환원시켜 자외선뿐만 아니라 가시광선, 적외선까지 광 흡수율을 대폭 향상시킨 새로운 가시광촉매를 개발하였다.

[그림1] 가시광선으로 작동하는 ‘이효영의 블루 이산화티타늄’

일반 아나타제-루타일 이산화티타늄이 흰색인데 비해, 아나타제만 환원한 ‘비결정아나타제-결정루타일 이산화티타늄은 푸른색을 띤다.
짙은 파란색이 비결정 아나타제, 흰색에 가까운 것은 결정 루타일이다.

연구진은 응용연구중의 하나인 이산화탄소 저감 효율을 향상시키기 위해 촉매가 빛을 흡수하며 생성하는 전하의 수와 이동성을 향상시키고자 실험을 고안했다. ‘이효영의 블루 이산화티타늄’에 다른 물질을 도핑해 불균일한 구조를 만들면, 전하 생성이 증가해 광효율이 향상될 것으로 예상했다. 연구진은 도핑 재료로 일산화탄소 발생률을 높일 수 있는 은을 포함해 3가지 후보 물질을 시도하고, 가장 안정적인 조합인 텅스텐산화물과 은을 도핑해 새로운 하이브리드 광촉매를 만들었다.

이렇게 만들어진 하이브리드 광촉매는 흡수된 빛 중 34.8%를 촉매 변환에 활용할 수 있는데, 이는 기존 광촉매보다 3배 높은 광효율이다. 또 이산화탄소-산소 변환 과정에서 메탄 생산없이 100% 일산화탄소만 발생시켰는데, 유용한 화합물의 중간체인 일산화탄소를 부산물 없이 단일화한다는 점에서 경제성이 높다. 일산화탄소 양은 기존 이산화티타늄 촉매보다 200배, 학계에 보고된 가장 우수한 촉매보다 15배 많이 발생했다. 현재 본 촉매와 이산화탄소를 사용하여 중간체인 일산화탄소를 유용한 화합물을 제조하는데에 연구 중이다. 본 연구결과는 화학·재료분야 세계적인 권위지인 ‘머터리얼스 투데이(Materials Today, 2020, doi 10.1016/j.mattod.2019.11.005, IF 24.372)'지에 1월3일 온라인 게재됐다.

이효영 교수는 “기초과학연구원-나노구조물리 연구단 지원하에 기초연구를 통하여 가시광선으로 작동하는 블루이산화티타늄 제조 및 물질에 관한 원천기술을 확보하고 이를 이용해 새로운 응용연구들을 진행중이다”며 “이번에 개발한 촉매가 미세먼지와 병원 내 병원균, 박테리아 등을 제거하는 데에도 크게 우수한 성능을 보여 실제 상용화를 위해 통상으로 기술이전을 하였고 현재도 계속 관련 업체들로 부터 기술이전 진행중이다”고 밝혔다.
“향후 다양한 연구 분야에 적용돼 전세계에 전파될 것으로 기대된다.”

[그림 2] 도핑에 따른 CO2 환원 효율 비교

일반적인 블루 이산화티타늄(7BT) 와 텅스텐(WO3, W1), 은(A1)의 각 조합으로 얻는 촉매 부산물 결과표. 가장 오른쪽이 이번에 개발한 촉매로,
메탄이나 수소같은 다른 부산물 없이 100% CO를 생산한다.