태양광을 이용해서 이산화탄소를 메탄올로 바꾸는 광촉매

(Reactor where the catalyst is tested for turning CO2 to methanol. Credit: University of Nottingham)

지구 온난화 문제가 심각해지면서 이산화탄소를 더 유용한 물질로 바꾸는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 하지만 산소와 단단히 결합한 탄소 원자를 떼어내는 데 많은 에너지가 들어가기 때문에 쉬운 일은 아닙니다. 따라서 과학자들은 더 효율적인 촉매를 개발하는 한편 태양 에너지처럼 신재생 에너지를 이용한 물질 변환을 연구하고 있습니다.

영국 노팅햄 대학의 과학자들이 이끄는 버빙햄 대학, 퀸즐랜드 대학, 울름 대학의 연구팀은 구리 원자 한 개를 나노스케일 결정화 영역을 지닌 질화탄소 (carbon nitride with crystalline nanoscale domains)에 결합시킨 광촉매 (photocatalysis)를 개발했습니다.

광촉매는 태양 에너지를 이용해 화학 반응을 유도할 수 있습니다 물과 이산화탄소를 이용해 광합성을 하는 식물 역시 광촉매를 이용하는데, 인간도 이를 흉내내 태양 에너지로 이산화탄소를 더 유용한 물질로 바꾸는 것입니다.

하지만 인간이 만든 광촉매는 효율이 낮을 뿐 아니라 필요한 물질만 선택적으로 만드는 능력이 부족해 상업화는 아직 어려운 상태입니다. 연구팀은 질화탄소 광촉매가 돌파구가 될 수 있다고 생각하고 나노 결정을 지닌 질화탄소를 개발했습니다.

연구팀이 개발한 질화탄소는 이전 촉매보다 효율이 44배나 뛰어났는데, 여기에 구리 원자 하나를 붙이자 다시 효율이 4배 높아졌습니다. 연구팀에 따르면 이 광촉매는 더 선택적으로 이산화탄소를 메탄올로 바꿀 수 있습니다. 원자 하나만 붙이기 때문에 1g의 촉매에 불과 1mg의 구리만 필요하며 질소와 탄소 같은 매우 흔하고 값싼 원소를 사용해 촉매의 원가가 저렴하다는 것도 큰 장점입니다.

다만 석유 대신 이산화탄소를 기반으로 하는 화학 산업이 가능하기 위해서는 앞으로도 가야할 길이 많습니다. 쉽지 않은 목표이지만, 많은 과학자들이 함께 노력한다면 언젠가 돌파구가 열릴 것으로 기대합니다.

참고

https://techxplore.com/news/2024-03-co8322-sustainable-fuel.html

Tara M LeMercier et al, Synergy of Nanocrystalline Carbon Nitride with Cu Single Atom Catalyst Leads to Selective Photocatalytic Reduction of CO₂ to Methanol, Sustainable Energy & Fuels (2024). DOI: 10.1039/D4SE00028E

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