국내 연구진이 이산화탄소를 메탄, 에탄과 같은 탄화수소 연료로 만들 수 있는 새로운 촉매를 개발했다. 이 촉매는 기존 이산화티타늄 광촉매에 비해 66배 높아진 효율로 이산화탄소를 메탄, 에탄으로 만들었다. 기초과학연구원(IBS) 현택환 나노입자 연구단장팀은 인수일 대구경북과학기술원(DGIST) 교수팀, 김형준 한국과학기술원(KAIST) 교수팀과 함께 이산화탄소를 메탄·에탄으로 만드는 광촉매를 개발했다고 9일 밝혔다. 우선 연구진은 안정화된 구리 원자와 이산화티타늄 광촉매 사이에서 일어나는 상호작용에 주목했다. 금속-지지체 상호작용은 지지체와 그 위에 올려진 금속촉매 사이에서 일어나는 화학작용을 말한다. 촉매의 활성을 높이기 위한 필수 요소지만, 원자 단위의 정밀한 조정이 어렵다. 그결과 금속-지지체 상호작용을 원자 단위에서 조절하면 이산화탄소가 효과적으로 전환되는 부분이 생긴다는 사실을 발견했다. 즉 구리원자가 이산화티타늄으로부터 전자를 받아 이산화탄소에 넘겨줌으로써 태양빛과 물만으로 이산화탄소를 화학연료인 탄화수소로 만든 것이다. 연구진은 이를 기반으로 단원자 구리-이산화티타늄 촉매를 만들었다. IBS 연구진은 이에 앞서 2019년 광촉매인 이산화티타늄 나노입자 위에 구리 원자를 올린 단원자 구리·이산화티타늄 촉매를 개발해 햇빛과 물로 수소를 만드는데 성공했다. 이때 개발한 촉매는 값비싼 귀금속을 사용하지 않고도 촉매 성능을 수십 배 이상 향상시켜 주목을 받았다. 이번에는 이 촉매를 활용해 태양광과 물만 이용해 이산화탄소를 화학연료로 만드는 촉매 개발에 성공한 것이다. 현택환 단장은 "추가 연구를 진행한다면 광촉매를 이용해 이산화탄소를 에탄올, 프로판올 등 더 고부가가치의 화학물질로 전환시키는 것도 가능할 것"이라고 말했다. 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국건설기술연구원이 '신종 바이러스 감염 대응 융합 솔루션 개발' 프로젝트를 통해 광촉매 적용 항균, 항바이러스 공조 장치를 개발했다는 소식에 관련주가 강세다. 29일 오전 9시 8분 현재 크린앤사이언스는 전일 대비 3.04% 오른 2만7100원에 거래되고 있다. 이날 정부와 건설기술연구원에 따르면 중앙재난안전대책본부는 지난 27일 세부지침을 통해 여름을 맞아 다중이용시설에서 에어컨 사용 방법을 발표했다. 에어컨 사용 시 순환되는 실내공기가 코로나19 바이러스를 포함한 침방울이 더 멀리 확산할 시킬 수 있기 때문이다. 정부는 최근 코로나19로 중단됐던 초중고의 개학을 점진적으로 확대하고 있다. 특히 이는 실내 에어컨 사용이 확대되는 6~7월과 맞물린다. 이미 병원이나 공항 검역시설은 물론, 버스와 같은 밀폐된 대중교통도 에어컨 사용이 늘어나는 추세다. 이에 건기연은 상용화에 성공한 공조 장치의 경우 광촉매 원리를 공기 청정기에 적용해 공기 중 코로나바이러스를 99% 제거한다고 밝혔다. 대기와 유사한 환경을 갖춘 챔버에서 시험 결과, 30분에 모든 세균과 바이러스에 대해 99.9% 이상 항균 항바이러스 성능을 갖춘 것으로 입증됐다. 구현본 건설연 수석연구원은 “다양한 신종 코로나바이러스를 비롯해 세균ㆍ바이러스 종류에 상관없이 탁월한 제거 효과를 보였다”며 “감염병 확산 가능성을 최소화하는 대기 환경을 만들어준다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다. 적용 범위가 광범위한 만큼 후속 연구도 활발하다. 건기연은 현재 광촉매 필터를 적극적으로 활용해 대중교통수단 실내 공간 상시 방역 및 정화 기술을 개발 중이다. 실제 초중고교 도입 논의도 진행되고 있다. 한승헌 건기연 원장은 항균 필터가 현재 중대본과 초등학교, 유치원의 에어컨과 공기청정기 설치를 논의 중이라고 밝혔다. 당장 올여름 각 가정의 실내에서 쓰일 에어컨 필터의 보급도 논의되고 있는 것으로 알려졌다. 이 같은 소식에 에어컨 필터, 실내 공기정화기 등을 생산하는 기업에 매수세가 몰리는 것으로 풀이된다. 크린앤사이언스는 초극세사 섬유인 멜트브로운을 이용한 헤파필터를 웅진, 청호나이스, 위닉스, 교원 등에 납품하고 있다. dschoi@fnnews.com 최두선 기자

[파이낸셜뉴스] 광운대학교는 환경공학과 장민 교수 연구팀이 질화탄소(g-C3N4)와 이산화티탄(TiO2) 합성체를 이용해 태양광 조사 하에 수중 난분해성 미량유기오염물질을 완벽하게 처리할 수 있는 ‘광촉매 합성법’을 개발했다고 7일 밝혔다. 세계적으로 지표수에 미량 농도로 검출되고 있는 화합물인 미량유기오염물질은 살충제, 의약품, 화장품, 난연제, 향수, 방수제, 가소제 및 단열재와 같은 다양한 유기화학물질을 포함하고 있다. 이 물질들은 분해가 쉽게 되지 않아 하·폐수 처리장에서 완벽하게 처리되지 못한 채 배출되고 있어 환경오염의 원인으로 지목되고 있다.  장 교수 연구팀은 광촉매합성체를 이용해 대표적인 내분비계 교란물질(환경호르몬)인 아트라진(Atrazine, ATZ)과 비스페놀 A(Bisphenol A, BPA)를 효과적으로 제거했다. 아트라진은 제초제에 널리 쓰이는 유기오염물질로 알려져 있으며 비스페놀 A는 플라스틱 제조에 주로 사용되는 첨가물로, 당뇨와 비만, 심혈관질환 등 다양한 질병에 영향을 미치며, 태아와 남성의 생식계 발달에 문제를 일으킬 수 있다. 장 교수 연구팀은 이번에 개발한 합성법으로 제조된 광촉매합성체가 태양광 조사 하에 미량유기오염물질을 보다 효과적으로 제거하는 것을 발견해, 이에 대한 분해 메커니즘 연구를 위해 광촉매의 효율을 감소시킬 수 있는 전자와 정공의 재결합 정도 및 하이드록실 라디칼 생성 효율 평가를 진행했다. 그 결과 제조된 광촉매합성체의 두 광촉매 사이에 전하 이동이 보다 용이하게 일어남을 입증했다. 장 교수는 "이번에 개발된 광촉매합성체는 친환경적이며 제조가 쉽고 대량생산이 가능하기 때문에 환경 오염 개선에 일정 부분 기여할 수 있을 것으로 기대한다"라고 말했다.  한편 이 연구는 과학전문지 Applied Catalysis B: Environment (IF: 14.229) 4월 25일자 온라인판에 게재됐다. hoya0222@fnnews.com 김동호 기자

미세먼지 대란속에 대기를 정화시키는 광촉매 콘트리트 제품이 국내 환경중소기업에서 개발됐다.자연과환경 기술연구소는 최근 성균관대 화학과 김영독 교수 연구팀 및 제이치글로벌과 함께 미세먼지 원인 물질을 정화하는 '대기정화 콘크리트 블록' 개발에 성공했다고 27일 밝혔다. 자연과환경은 지방자치단체와 '대기정화 콘크리트 블록'의 시범 설치 사업을 추진 중이다.    김 교수는 휘발성유기화합물 아세트알데하이드를 흡착시켜 가시광 LED 조명으로 분해시키는 소재를 개발했다. 신소재를 학교 운동장 넓이(5000㎡) 만큼 설치할 경우 시간당 50g의 아세트알데하이드를 분해한다. 휘발성 유기화합물은 발암물질로 미세먼지의 원인 물질로 알려져 있다. 원천기술을 환경나노소재 연구개발 기업인 제이치글로벌에서 양산화했고, 자연과환경에서 이 기술을 접목시켜 유해물질을 제거하는 콘크리트 블록 개발에 성공했다. 기존 광촉매 기술은 태양광의 극히 일부인 자외선에서만 유해물질을 분해하며, 가시광선에서는 효율을 보이지 않는다. 자연과환경 관계자는 "가시광선으로 유해물질을 분해하는 효능을 보이는데, 낮에는 물론 야간 가로등 조명하에서도 기능을 해 대기정화 및 미세먼지 원인물질 제거에 큰 기여를 할 것으로 예상된다"고 전했다. yjjoe@fnnews.com 조윤주 기자

【울산=최수상 기자】 고분자를 만드는 데 핵심적으로 사용되는 광촉매의 ‘레시피(Recipe)’가 개발돼 화제다. 여기서 주어진 순서대로 따라하면 누구나 원하는 촉매를 만들 수 있다. 향후 컴퓨터를 통한 광촉매 설계도 가능할 전망이다. 유니스트(UNIST)는 신소재공학부의 권민상 교수팀이 ‘합리적인 유기물 광촉매 설계 원리(유기물 광촉매 플랫폼 포함)’를 세계 최초로 개발했다고 17일 밝혔다. 이 원리는 컴퓨터 프로그래밍 순서도처럼 한 장의 안내도로 정리됐는데, 순서를 따라가면 이론적으로 무한개의 유기물 광촉매를 개발할 수 있다. 실제로 연구진은 이 원리를 바탕으로 30여 종에 이르는 유기물 광촉매를 개발하고, 라이브러리를 구축했다. 현재 고분자 합성에 많이 이용하는 ‘원자 이동 라디칼 중합(Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP)’은 금속촉매를 쓴다. 이 기술은 합성 후 금속을 제거하는 공정이 필요해 비싸고, 금속을 완전히 제거하기도 어려워 전자나 생물의학 분야로 응용되지 못한다. 이를 해결하기 위해 유기물 광촉매를 쓰는 ‘유기물 광 산화·환원 촉매 기반 원자 이동 라디칼 중합(Organocatalyzed Photoredox-Mediated ATRP, O-ATRP)’이 개발됐다. 하지만 이 기술 역시 다량의 촉매가 필요하고, 착색이나 생체독성 등이 나타나는 문제가 있었다. 권민상 교수는 “금속촉매를 안 쓰는 O-ATRP가 자리 잡으려면 더 좋은 유기물 광촉매가 필요한데, 지금까지는 연구가 부족했다”며 “이번 연구로 유기물 광촉매를 만드는 플랫폼을 개발하고, 적절한 순서도를 제공해, 목표 고분자에 꼭 맞는 ‘반응맞춤형 광촉매’를 설계할 방법을 찾았다”고 설명했다. 고분자 합성에는 기본적으로 단량체(monomer)가 필요하다. 단량체의 종류에 따라 요구되는 유기물 광촉매의 성질(예를 들어 광흡수파장, 산화·환원 에너지 등)이 달라진다. 권 교수팀은 이 내용들을 종합해 설계 순서도 (그림1)를 만들었다. 원하는 고분자 반응을 정의한 다음, 이 순서도에 따라 촉매를 설계하고 조금씩 조절하면 손쉽게 유기물 광촉매를 얻을 수 있다. 권 교수는 “기존에는 빛을 흡수하는 유기물 광촉매 후보군을 고분자 및 화학반응에 하나씩 직접 적용해보는 방식(Trial & Error)으로 유기물 광촉매를 개발해왔다”며 “이번에 개발한 방식은 하나의 설계원리에 따라 ‘특정한 고분자 및 화학반응’에 꼭 맞는 유기물 광촉매를 설계할 수 있어, 추후 머신러닝(Machine Learning)과 결합해 순수하게 컴퓨터를 통한 광촉매 설계도 기대할 수 있다”고 말했다. 이 방식에 따라 개발한 유기물 광촉매는 0.5ppm만 써도 성공적으로 고분자를 합성할 수 있었다. 또 기존에 O-ATRP에서는 활용하기 어려웠던 단량체를 재료로 쓰는 일도 가능했다. 권 교수는 “유기물 광촉매 플랫폼은 기존 ARTP 공정처럼 금속 촉매를 제거하는 과정이 없어 비용이 저렴하고, 다양한 단분자도 활용 가능해 O-ARTP 분야를 혁신적으로 발전시킬 것”이라며 “고분자 합성뿐 아니라 인공광합성, 물 분해 등에서도 활용할 수 있는 강력한 촉매 설계 플랫폼이 될 수 있다”고 말했다. 이번 연구의 제1저자는 바룬 씽(Varun Kumar Singh) UNIST 신소재공학부 박사이며, 김광수 UNIST 자연과학부 화학과 특훈교수(국가과학자)와 스페인 마드리드 연구소의 요하네스 기리시너(Johannes Gierschner)박사가 공동교신저자다. UNIST의 이지석(화학공학과), 박이순(신소재공학과)도 공동저자로 참여했다. 연구결과는 세계적인 과학저널 네이처(Nature)에서 출판한 촉매 분야 전문지 ‘네이처 촉매(Nature Catalysis)’에 게재됐다. ulsan@fnnews.com 최수상 기자

【대전=김원준 기자】카이스트(KAIST)는 화학과 송현준 교수 연구팀이 탄산수에 포함된 이산화탄소를 99%순수한 메탄 연료로 바꿔주는 금속산화물 혼성 광나노촉매를 개발했다고 9일 밝혔다.  태양광을 이용해 메탄으로 직접 변환하는 기술은 태양전지를 이용해 전기를 생산한 뒤 이를 전지에 저장하는 방식보다 저장 가능한 에너지의 양 측면에서 매우 효율적이다. 이번 연구는 값싼 촉매 물질을 이용해 반응 효율과 선택성을 크게 높인 화학에너지 저장방법을 구현했다는 의의를 갖는다.  목포대 남기민 교수와 공동으로 연구하고 KAIST 배경렬 박사, 김진모 박사과정이 공동 1저자로, 임찬규 박사과정이 3저자로 함께 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7일자 온라인 판에 게재됐다.  태양광은 차세대 에너지원으로 주목받고 있지만 해가 떠있는 동안에만 이용하고 발전량이 날씨에 따라 일정하지 않다는 단점이 있다. 태양광 에너지를 연료 등의 화학에너지로 직접 변환할 수 있다면 에너지 저장 및 이용에서의 문제점을 해결할 수 있다.  특히 온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소를 태양광을 이용해 변환하는 기술이 에너지와 환경 문제를 함께 해결할 수 있어 주목받고 있다. 하지만 이산화탄소는 매우 안정적인 물질이기 때문에 다른 분자로의 변환이 어려워, 이를 극복하기 위해 효율과 선택성이 좋은 촉매를 개발해야 한다.  송 교수 연구팀은 선크림에 주로 사용되는 아연산화물 나노입자를 합성한 뒤 표면에 구리산화물을 단결정으로 성장시켜 콜로이드 형태의 아연-구리산화물 혼성 나노구조체를 제작했다.  구리산화물은 빛을 받으면 높은 에너지를 가진 전자를 생성하며 이는 탄산수에 녹아있는 이산화탄소를 메탄으로 바꿔주는 역할을 한다. 또한 아연산화물도 빛을 받아 전자를 생성한 뒤 구리산화물로 전달해 주기 때문에 마치 나뭇잎에서 일어나는 광합성 현상과 유사한 원리를 통해 오랜시간 반응 시간을 유지했다.  그 결과 수용액에서 반응 실험을 실시했음에도 불구하고 이산화탄소에서 99%의 순수한 메탄을 얻을 수 있었다.  기존의 불균일 광촉매는 고체의 분말 형태이기 때문에 구조가 균일하지 않고 물에 분산되기 어려웠다. 송 교수 연구팀은 나노화학 합성 방법을 이용해 촉매 입자의 구조를 일정하게 조절하고 높은 표면적을 유지시켰다. 이를 통해 기존 촉매보다 수용액에서의 이산화탄소 변환 활성을 수백 배 증가시켰다.  송 교수는 “태양광을 이용한 이산화탄소의 직접 변환 반응의 상용화에는 많은 시간이 필요하다"면서 "그러나 이번 연구처럼 나노 수준에서의 촉매 구조의 정밀한 조절은 광촉매 반응의 효율 향상 및 원리 연구에 큰 도움을 줄 것"이라고 말했다.  이번 연구는 사우디 아람코-KAIST CO2 매니지먼트 센터와 한국연구재단, 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐다. kwj5797@fnnews.com 김원준 기자

국기초과학지원연구원 물성과학연구부 이주한 책임연구원 국기초과학지원연구원 물성과학연구부 이현욱 연구원 국내 연구진이 빛을 받으면 오염물질을 분해시키는 광촉매의 기능을 획기적으로 증대해 오염된 물을 인간에게 무해한 수준까지 정화하는데 성공했다. 한국기초과학지원연구원(기초지원연)은 물성과학연구부 이주한, 이현욱 박사 연구팀은 충남대학교(충남대) 이영석 교수, 이순창 박사 과정과의 공동연구를 통해 황이 도핑 된 나노튜브로 이루어진 친환경 TiO2 광촉매 재료 (친환경 TiO2)를 제조하는데 성공했다고 26일 밝혔다. 연구팀에 따르면 이번 결과는 수질정화 사업의 실효성을 증명한 최초의 성과라는 데 의미가 있다. 기존의 광촉매 연구는 오염물의 분해 실험까지만 실시하여 TiO2의 개념과 수처리의 가능성만 제시했으나, 이번에 개발된 '친환경 TiO2 광촉매 재료 제조기술'은 친환경 TiO2을 이용하여 오염된 물을 정화한 뒤, 그 물이 실제로 살아있는 세포에 안전한지를 추가적으로 검사했다. 그결과, 광촉매 실험을 통해서 100% 정화됐다고 판단된 물에서는 모든 세포가 100% 살아남았다. 기초지원연 이주한 박사는 "태양광 활용이 가능한 수처리 분야에 응용하여 인간에게 무해한 수준의 물정화가 가능함을 확인한 것"이라고 설명했다. 아울러, 연구팀은 존의 상용 TiO2 재료와 비교하여 약 2배의 효율을 증대시켰다. 기존의 광촉매는 자외선 영역만 이용할 수 있어 태양광에너지의 활용도가 4% 미만이었지만, 이번 고효율 가시광 촉매의 개발로 태양광의 46%를 차지하게 되어 광촉매 효율을도 획기적으로 증대된 것. 그동안 TiO2를 보다 효율적으로 사용하기 위한 연구가 지속되었으나 낮은 비표면적, 효율저하, 높은 비용 등이 문제였다. 충남대 이영석교수는 "햐우 수처리 공정에서 핵심적인 단가 감소 및 효율 증진을 위해 탄소 신소재와의 융합이 중요하다"고 강조했다. 한편, 이번 연구결과는 세계적인 학술지인 네이처-사이언티픽 리포츠' 온라인판에 23일자로 게재됐다. bbrex@fnnews.com 김혜민 기자

한일시멘트는 화승T&C와 공동으로 대기 중의 오염물질을 분해할 수 있는 고효율 '광촉매시멘트 모르타르'를 개발했다고 14일 밝혔다. 광촉매시멘트 모르타르는 태양광과 같은 빛 에너지를 이용해 반영구적으로 휘발성 유기화합물(VOC), 질소산화물(NOx) 등 다양한 대기오염 물질을 분해할 수 있다. 살균기능도 갖춰 실내외 공기질을 개선하는 효과가 있는 것으로 알려졌다. 특히 인체 내 호흡기관 질병을 일으키고, 스모그와 산성비의 원인이 되는 공기 중의 질소산화물을 제거하는 데 큰 효과를 보이고 있어 2015년까지 단계적으로 이산화질소(NO2)의 연평균 농도를 40㎍/㎥ 이하로 줄이도록 관계 법령을 제정한 독일 등 유럽에선 이미 실용화된 상태다. 실제 유럽 도심에 이 제품을 적용한 결과 약 30~40% 질소산화물 저감 효과가 있음을 검증한 사례도 있다. 한일시멘트 관계자는 "현재 국내 광촉매 제조기술은 태양광뿐 아니라 실내 형광등에서도 반응할 정도의 기술력이 확보된 상태이며 수입산 대비 가격 경쟁력 또한 갖추고 있어 건축용 제품으로 활용가치가 높을 것으로 기대된다"며 "차량 통행량이 많은 고속도로 중앙분리대, 터널 내벽, 톨게이트 입·출구 및 건축물 내벽과 지하주차장 등에서 그 활용가치가 높을 것으로 판단돼 지속적인 용도 개발을 추진할 계획"이라고 말했다. 김승호 기자

한일시멘트는 화승T&C와 공동으로 대기 중의 오염물질을 분해할 수 있는 고효율 '광촉매시멘트 모르타르'를 개발했다고 14일 밝혔다. 광촉매시멘트 모르타르는 태양광과 같은 빛 에너지를 이용해 반영구적으로 휘발성 유기화합물(VOC), 질소산화물(NOx) 등 다양한 대기오염 물질을 분해 할 수 있다. 살균기능도 갖춰 실내외 공기질을 개선하는 효과가 있는 것으로 알려졌다. 특히 인체 내 호흡기관 질병을 일으키고, 스모그와 산성비의 원인이 되는 공기 중의 질소산화물을 제거하는데 큰 효과를 보이고 있어 2015년까지 단계적으로 이산화질소(NO2)의 연평균 농도를 40㎍/㎥ 이하로 줄이도록 관계 법령을 제정한 독일 등 유럽에선 이미 실용화 된 상태다. 실제 유럽 도심에 이 제품을 적용한 결과 약 30~40% 질소산화물 저감 효과가 있음을 검증한 사례도 있다. 한일시멘트 관계자는 "현재 국내 광촉매 제조기술은 태양광뿐 아니라, 실내 형광등에서도 반응할 정도의 기술력이 확보된 상태이며 수입산 대비 가격 경쟁력 또한 갖추고 있어 건축용 제품으로 활용가치가 높을 것으로 기대된다"며 "특히 차량 통행량이 많은 고속도로 중앙분리대, 터널 내벽, 톨게이트 입·출구 및 건축물 내벽과 지하주차장 등에서 그 활용가치가 높을 것으로 판단돼 지속적인 용도개발을 추진할 계획"이라고 말했다. bada@fnnews.com 김승호 기자

<생과부 화상에 강정교구 교수 사진 있습니다> 한국과학기술원(KAIST)은 강정구 교수 연구팀이 이중금속으로 구성된 다전자 광촉매 물질을 합성해 인공광합성 기술을 구현하는 데 성공했다고 19일 발표했다. 인공광합성 구현의 핵심기술은 물로 태양에너지의 대부분을 차지하고 있는 가시광 영역에서 효율적으로 양성자를 발생시키는 기술을 확보하는 것이다. 이 양성자는 지구 온난화의 주범인 이산화탄소와 반응해 메탄, 메탄올 등 친환경적인 석유연료를 만들 수 있다. 또한 이 양성자 자체를 결합해 수소 등을 효율적으로 생산할 수 있다. 기존의 다양한 광촉매 소재들은 태양에너지의 일부영역인 자외선 영역과 고가의 백금 조촉매를 사용할 경우에만 물로부터 양성자를 생성시키는 것이 가능했다. 그러나 태양광 중에서 가장 풍부한 가시광 영역에서는 거의 양성자를 생성할 수 없는 한계를 갖고 있었다. 강 교수팀은 타이테니늄 원자를 저가 산화물인 니켈 옥사이드 층상 구조에 니켈을 일부 치환시켜 이중금속으로 구성된 다전자 광촉매 물질을 합성하는 데 성공했다. 또한 이중금속 다전자 층상 구조는 가시광 태양빛을 효율적으로 흡수할 수 있다는 것을 확인했다. 강 교수는 “이중금속 조합에 따른 전자구조의 디자인을 통해 태양광 하에서 수소와 같은 청정에너지를 생산하는 기술로도 활용이 기대된다”며 “궁극적으로는 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 저감 시킬 뿐만 아니라 자원화 해 석유 자원을 대체할 수 있는 길을 열어 놓았다는 데 큰 의의가 있다”고 밝혔다. /kueigo@fnnews.com김태호기자