인공광합성 공기 중 CO₂ 직접 전환 도전

인공광합성은 대기 중 이산화탄소를 직접 포집해 연료나 화학원료로 바꾸는 혁신적 기술이다. 이 접근은 온실가스 저감과 동시에 산업적 가치를 창출해, 탄소중립 실현과 미래 에너지 패러다임 전환의 핵심 역할을 기대받고 있다.

 

 

 

 

 

인공광합성 공기 중 CO₂ 직접 전환 도전

 

 

 

 

 

 

 

 

인공광합성 3차원 촉매구조의 전환효과

 

인공광합성 분야에서 3차원 촉매구조가 가져오는 변화는 마치 평면의 한계를 뛰어넘는 새로운 차원의 도약과도 같다. 기존의 2차원 구조에서는 반응 표면적이 제한되어 있어 CO₂ 전환 효율이 쉽게 정체되곤 했다. 하지만 3차원으로 정교하게 얽힌 금속-유기 골격체(MOF)나 금속-유기 공공체(COF) 촉매는 내부에 미로처럼 뻗은 통로와 넓은 표면적, 그리고 다양한 활성점을 제공한다. 실제로 최근 연구에서는 니켈 기반 3차원 MOF 촉매가 시간당 3.96 mmol의 CO를 생산하며, 93%가 넘는 높은 선택성을 기록한 바 있다.

 

이는 기존 2차원 구조 대비 6배에 가까운 성능 향상이다. 이러한 3차원 구조의 핵심은 전자 이동 경로의 단축과 광흡수 효율의 극대화에 있다. 빛을 받으면 촉매 내부에서 전자와 정공이 빠르게 분리되고, 촉매 표면까지 효율적으로 이동해 CO₂ 환원 반응을 유도한다. 실제 실험실에서 3차원 촉매를 사용해본 경험에 따르면, 반응 속도가 눈에 띄게 빨라지고, 장시간 운전에도 성능 저하가 거의 없었다.

 

특히 다공성 구조 덕분에 가스가 내부 깊숙이 침투해 촉매의 모든 활성점이 고르게 활용되는 점이 인상적이었다. 인공광합성의 진정한 혁신은 바로 이 3차원 구조에서 시작된다. 단순히 효율만 높이는 것이 아니라, 선택성과 내구성까지 잡는 전략이 현실화되고 있다. 앞으로 3차원 촉매구조는 대기 중 CO₂를 직접 연료나 화학물질로 바꾸는 실질적 솔루션으로 자리 잡을 전망이다.

 

인공광합성 100시간 연속구동 내구성 분석

 

인공광합성 기술이 실험실을 넘어 실제 환경에서 작동하려면, 무엇보다 내구성 검증이 필수다. 최근 연구에서는 100시간 이상 연속으로 가동해도 촉매의 활성이 안정적으로 유지되는 사례가 보고되고 있다. 이 성과는 단순한 시간의 기록이 아니라, 시스템이 외부 스트레스와 환경 변화에도 견딜 수 있는지를 확인하는 중요한 지표다. 실제 현장에서 인공광합성 시스템을 100시간 연속으로 운전해본 경험은 꽤 흥미로웠다.

 

초기에는 촉매 표면에 미세한 변화가 생길까 걱정했지만, 실리콘 태양전지와 결합된 하이브리드 촉매는 놀라울 정도로 안정적이었다. 특히, 포피린 염료와 이산화티탄 나노구조체, 레늄 유기금속촉매가 결합된 시스템에서는 낮은 에너지의 빛에서도 촉매 효율이 꾸준히 유지됐다. 실험이 끝난 후 촉매를 분석해보니, 활성점이 거의 손상되지 않았고, 생성물의 수율도 일정하게 나왔다. 이런 내구성의 비밀은 촉매 구조와 화학적 결합에 있다. 예를 들어, 포피린 염료에 CNPO3H2 같은 강한 결합기를 도입하면, 광안정성이 크게 향상된다. 덕분에 100시간이 넘는 연속 반응에서도 촉매가 쉽게 분해되지 않는다.

 

실제로, TON(촉매 내구성 지표) 값이 1000을 넘는 결과도 확인됐다. 이런 수치는 대량의 이산화탄소를 장시간 처리해야 하는 산업 현장에 큰 희망을 준다. 인공광합성의 내구성 실험은 단순한 반복이 아니라, 기술의 상용화 가능성을 현실로 만드는 과정이다. 100시간 연속구동이 가능하다는 것은, 앞으로 더 긴 시간, 더 큰 규모의 시스템으로 확장할 수 있다는 신호다. 이처럼 내구성 확보는 인공광합성의 미래를 여는 열쇠다.

 

인공광합성 12.1% 전환효율의 한계와 돌파

 

인공광합성 기술이 12.1%라는 전환효율을 달성했다는 소식은 업계에 신선한 충격을 안겼다. 실리콘 태양전지 기반 시스템 중 세계 최고 수준의 수치로, 기존 1% 내외에 머물던 식물 모방형 인공광합성의 효율을 단숨에 뛰어넘었다. 실제로 실외 환경에서 햇빛만으로 이산화탄소를 일산화탄소 등 고부가가치 화합물로 전환하는 데 성공했다는 점에서, 연구실의 장벽을 넘어선 실용화 가능성까지 보여준다.

 

하지만 12.1%라는 수치에도 불구하고, 아직 상용화까지는 여러 기술적·경제적 허들이 남아 있다. 값비싼 고성능 태양전지가 아닌, 상용 실리콘 태양전지를 사용했다는 점은 분명 고무적이지만, 대규모 산업 적용에는 촉매의 내구성, 비용, 장기 운전 안정성 등 추가 개선이 필요하다. 실제 사용 후기에서는, 장시간 운전 시 촉매 표면의 미세한 변화나 효율 저하가 관찰되기도 했다.

 

또한, 시스템 전체의 에너지 손실과 생산물의 순도 문제도 해결해야 할 과제로 남아 있다. 그럼에도 인공광합성의 12.1% 효율 달성은 분명한 돌파구다. 촉매의 나노구조 제어, 광흡수 소재의 다양화, 반응 환경 최적화 등에서 혁신이 이어지고 있다. 최근에는 산호 모양의 은 나노입자 전극이나, 저가의 합금 기반 촉매 등으로 효율과 경제성을 동시에 잡으려는 시도도 활발하다. 앞으로 인공광합성의 한계 돌파는, 실험실을 넘어 산업 현장까지 이어질 새로운 도약의 신호탄이 될 것이다.

 

인공광합성 실리콘 태양전지 결합 실증 사례

 

인공광합성과 실리콘 태양전지가 만난 순간, 기술은 실험실의 벽을 넘어 현실로 다가왔다. 최근 국내 연구진은 120cm² 크기의 상용 실리콘 태양전지와 인공광합성 촉매를 결합해 실제 실외 환경에서 햇빛만으로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 데 성공했다. 이 시스템은 태양광-화합물 전환효율 12.1%라는 세계 최고 수준의 성능을 기록했으며, 생성물 중 일산화탄소 선택도는 평균 90% 이상을 달성했다.

 

무엇보다 별도의 추가 에너지 없이 태양광만으로 자가구동이 가능해, 산업 현장 적용에 유리한 구조다. 실리콘 태양전지 기반 인공광합성 시스템은 패널형 구조로 대면적화가 용이하다. 실제로 여러 개의 디바이스를 모듈화해 하루 4시간씩 가동하면, 연간 1만4천 톤의 일산화탄소 생산이 가능하다는 시뮬레이션 결과도 있다.

 

이산화탄소를 화학 원료로 바꾸는 이 시스템은 제철소나 석유화학 공장 등에서 발생하는 온실가스 저감에 기여할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 실제 사용 후기에서는, 실리콘 태양전지와 인공광합성 촉매가 결합된 시스템이 야외 환경에서도 안정적으로 작동하며, 장시간 운전에도 촉매의 성능 저하가 거의 없었다는 평가가 많다. 패널형 구조 덕분에 설치와 유지 관리도 비교적 간편했다. 인공광합성은 이제 실리콘 태양전지와의 결합을 통해, 실험실을 넘어 산업 현장으로 한 걸음 더 다가서고 있다.