(Selective methane conversion to formaldehyde over a [Vo]-Cu-WO3 photocatalyst. Credit: Image adapted from Nature Communications(2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38334-7)
전기차나 수소 에너지로의 전환이 빨라지더라도 여전히 천연가스나 다른 화석연료는 필요할 수 있습니다. 우리가 매일 사용하는 플라스틱이나 각종 화학 물질들이 석유화학 공정으로 만들어지기 때문입니다.
하지만 사실 원하는 화학 물질을 만드는 과정에서도 적지 않은 에너지가 소비됩니다. 이 에너지 역시 화석연료에서 얻고 있기 때문에 이산화탄소 배출을 피하기는 어렵습니다.
따라서 과학자들은 태양 에너지를 이용한 광촉매 기술을 개발하고 있습니다. 태양열이나 식물의 광합성처럼 태양광을 이용해 필요한 화학 반응에 필요한 에너지를 얻는 것입니다.
홍콩 대학, 칭화 대학, 유니버시티 칼리지 런던의 과학자들은 희토류가 아니라 구하기 쉬운 원소인 구리와 산화 텅스텐을 이용한 광촉매 ([Vo]-Cu-WO3 photocatalyst) 기술을 개발했습니다. 이 광촉매를 이용하면 상온에서 햇빛을 이용한 메탄을 더 유용한 화학 원료인 포름알데히드로 100% 전환할 수 있습니다.
메탄은 천연가스의 주 성분으로 최근에는 바이오 메탄의 생산도 늘어나고 있습니다. 하지만 탄소 원자에 네 개의 수소가 단단히 결합된 구조라 이를 이용해 더 복잡하고 유용한 화학 물질을 만들기가 어렵습니다.
연구팀이 만든 광촉매는 100% 선택적으로 포름알데히드민 만들기 때문에 원치 않은 부산물을 제거할 필요가 없고 태양광만 서용하기 때문에 화석 연료를 포함한 다른 에너지를 사용할 필요도 없습니다.
포름알데히드는 현재 전 세계적으로 연간 80억 달러 규모의 시장을 형성하고 있으며 백신에서 합성 수지 등 다양한 물질의 원료가 되고 있습니다. 하지만 메탄올 산화 - 탈수소 (methanol oxidation-dehydrogenation) 반응을 통해 포름알데히드를 생산하는 위해서는 섭씨 500-600도의 고온이 필요해 상당한 양의 에너지가 필요합니다. 물론 이 과정에서 많은 양의 이산화탄소가 배출됩니다.
태양 에너지를 이용한 화학 물질 처리나 화학 반응 공정 연구는 아직은 걸음마 단계이지만, 다양한 화학 물질을 친환경적으로 가공할 수 있는 공정이 있다면 상당한 메리트가 있을 것입니. 다만 밤이나 기상 상태에 따라서 공장을 멈춰야 한다는 점이 큰 약점이라 실제 상업화 가능성은 두고봐야 알 수 있을 것으로 보입니다.
참고
https://phys.org/news/2023-05-sunlight-powered-catalyst-methane-valuable-chemicals.html
Lei Luo et al, Nearly 100% selective and visible-light-driven methane conversion to formaldehyde via. single-atom Cu and Wδ+, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38334-7
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