【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=국내 연구진이 미국 연구진과 함께 태양광을 이용해 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 광촉매의 효율을 크게 높일 수 있는 기술을 개발하고, 성능 향상의 핵심 원리를 규명했다.

▲ 광촉매 구조 및 집광 시스템 조건에 따른 이산화탄소 환원 효율 비교 및 다전자 환원 반응 메커니즘 모식도  © DGIST

DGIST(대구경북과학기술원)는 에너지공학과 인수일 교수 연구팀이 미국 캘리포니아공과대학교(Caltech) 윌리엄 A. 고다드 3세(William A. Goddard III) 교수 연구팀과 공동연구를 통해 서로 다른 기능을 수행하는 두 종류의 조촉매를 결합한 새로운 광촉매 시스템을 개발했다고 밝혔다.

이산화탄소는 대표적인 온실가스로 꼽히지만 최근에는 이를 연료나 화학 원료 등으로 재활용하는 탄소 자원화 기술이 차세대 친환경 기술로 주목받고 있다. 특히 태양광을 에너지원으로 활용하는 광촉매 기술은 별도의 화석연료 없이 이산화탄소를 유용한 자원으로 전환할 수 있다는 점에서 연구가 활발히 진행되고 있다.

연구팀은 광촉매 소재인 이산화티타늄(TiO₂)에 2차원 소재인 몰리브덴셀레나이드(MoSe₂)와 백금(Pt) 나노입자를 결합한 삼원계 구조의 광촉매를 제작했다. 두 조촉매가 각각 다른 역할을 수행하도록 설계해 광반응 과정에서 생성되는 전자가 이산화탄소 환원 반응에 보다 효과적으로 사용되도록 한 것이 특징이다.

기존 MoSe₂는 층상 구조 특성 때문에 쉽게 응집되거나 구조가 변형되는 문제가 있었지만, 연구팀은 TiO₂와 MoSe₂가 맞닿는 계면을 정밀하게 설계해 전자가 지속적으로 이동하도록 구현했다. 이를 통해 활성도가 높은 금속성 1T-MoSe₂ 구조를 안정적으로 유지하면서 촉매의 반응성과 내구성을 함께 높였다.

또한 백금 나노입자는 광반응으로 생성된 전자를 빠르게 모아 이산화탄소 환원 반응을 촉진하는 역할을 수행했다. 연구팀은 MoSe₂가 반응이 일어나기 쉬운 환경을 만들고 백금이 전자 이동을 가속하는 방식으로 두 조촉매가 상호 보완적으로 작동한다는 사실도 확인했다.

성능 평가 결과 새롭게 개발된 광촉매는 집광형 반응기에서 메탄 생산량 17.81μmol/g을 기록했다. 이는 일반적인 광조사 조건과 비교해 약 3배, 기존 이산화티타늄 기반 광촉매보다 약 65배 향상된 수준이다.

연구진은 실험과 계산 분석을 통해 집광으로 광자 공급이 증가하고 촉매 계면에서 전자 이동 효율이 높아진 것이 메탄 생산 성능을 크게 향상시키는 핵심 요인이라는 점도 규명했다.

인수일 DGIST 에너지공학과 교수는 "이번 연구는 이중 조촉매의 계면 구조를 제어해 활성도가 높은 금속성 1T-MoSe₂를 안정적으로 유지하고, 다전자 환원 반응이 진행되는 메커니즘을 규명했다는 데 의미가 있다"며 "향후 태양광을 활용한 이산화탄소 자원화 기술과 친환경 연료 생산 분야에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 나노미래소재원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 Applied Catalysis B: Environment and Energy에 게재됐다.

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Joint Research Team of DGIST and Caltech Develops High-Efficiency Photocatalyst Converting Carbon Dioxide to Methane

Korean researchers, in collaboration with U.S. researchers, have developed a technology capable of significantly increasing the efficiency of photocatalysts that convert carbon dioxide into methane using solar energy, and have identified the core principles behind this performance enhancement.

DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) announced that a research team led by Professor In-Soo Lee of the Department of Energy Engineering has developed a new photocatalyst system by combining two types of co-catalysts that perform different functions, through a joint study with the research team of Professor William A. Goddard III at the California Institute of Technology (Caltech).

Although carbon dioxide is considered a major greenhouse gas, carbon resource utilization technology—which recycles it into fuel or chemical raw materials—has recently been attracting attention as a next-generation eco-friendly technology. In particular, research on photocatalyst technology that utilizes solar energy as an energy source is actively underway because it can convert carbon dioxide into useful resources without the need for separate fossil fuels.

Joint Research Team of DGIST and Caltech Develops High-Efficiency Photocatalyst Converting Carbon Dioxide into Methane The research team fabricated a ternary photocatalyst by combining titanium dioxide (TiO₂), a photocatalytic material, with molybdenum selenide (MoSe₂), a two-dimensional material, and platinum (Pt) nanoparticles. A key feature is that the two co-catalysts were designed to perform distinct roles, allowing electrons generated during the photoreaction process to be utilized more effectively in the carbon dioxide reduction reaction.

While conventional MoSe₂ suffered from issues such as easy aggregation or structural deformation due to its layered structure, the research team precisely designed the interface where TiO₂ and MoSe₂ meet to enable continuous electron movement. This allowed them to stably maintain a highly active metallic 1T-MoSe₂ structure while simultaneously enhancing the catalyst's reactivity and durability.

Additionally, the platinum nanoparticles played a role in accelerating the carbon dioxide reduction reaction by rapidly collecting electrons generated by the photoreaction. The team also confirmed that the two co-catalysts operate complementarily, with MoSe₂ creating an environment conducive to reaction and platinum accelerating electron movement. Performance evaluations showed that the newly developed photocatalyst recorded a methane production of 17.81 μmol/g in a concentrated light reactor. This represents an improvement of approximately three times compared to standard light irradiation conditions and about 65 times compared to existing titanium dioxide-based photocatalysts.

Through experiments and computational analysis, the research team also identified that increased photon supply due to light concentration and higher electron transfer efficiency at the catalyst interface are key factors that significantly enhance methane production performance.

Professor In-Soo Il In of the Department of Energy Engineering at DGIST stated, "This research is significant in that it controlled the interface structure of the dual co-catalyst to stably maintain highly active metallic 1T-MoSe₂ and elucidated the mechanism by which the multi-electron reduction reaction proceeds." He added, "We expect this to be utilized in the future for carbon dioxide resource recovery technologies using solar energy and in the field of eco-friendly fuel production."

Meanwhile, this research was conducted with support from the National Research Foundation of Korea's Nano Future Materials Original Technology Development Project, and the results were published in the international academic journal Applied Catalysis B: Environment and Energy.