새로운 조명 기술로 이산화탄소를 메탄올로 전환한다.

태양에너지에서 액체연료로의 하이브리드 접근 센터 (Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels (CHASE))는 에너지부가 설립한 컨소시엄으로 프린스턴과 예일을 포함한 미국 최고의 대학의 연구원들이 참여한다.

인류가 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고자 하면서, 풍력과 태양광과 같은 재생 에너지원이 세계 여러 지역의 전기 수요를 충족하기 위해 나섰다. 그러나 장거리 운송과 같은 중공업과 응용 분야는 배터리 팩의 에너지로 작동할 수 없으며 디젤과 가솔린을 대체할 수 있는 에너지 밀도가 높은 연료가 필요하다.

잎이 햇빛에서 이산화탄소(CO2)와 물을 음식으로 바꾸는 것처럼 과학자들은 풍부한 광원을 사용하여 에너지를 생성하는 방법을 개발하고자 한다.

CO2와 같은 가스로 이를 수행하는 것은 대기 중 온실 가스 농도를 줄이는 동시에 햇빛을 사용하여 만든 메탄올과 같은 안정적인 에너지원을 제공하기 때문에 두 배나 유리하다. 과학자들은 이를 액체 태양 연료라고 한다.

액체 태양 연료는 어떻게 만들어질까?

지금까지 과학자들은 실리콘 광전극을 사용하여 액체 태양 연료를 성공적으로 생성했다. 이 공정은 실리콘 표면에 촉매를 통합하여 빛을 흡수하고 필요한 화학 반응을 시작함으로써 작동한다.

물이 있는 경우 CO2는 메탄올 또는 일산화탄소(CO)로 전환될 수 있으며, 이는 광범위한 다른 유용한 제품을 합성하기 위한 스타터 분자 역할을 한다.

과학자들은 수십 년 동안 고표면적 실리콘에 대해 알고 있었지만 액체 태양 연료 생성을 위한 광전극에 사용된 적은 없다. CHASE의 연구팀은 이를 처음으로 시도하여 유망한 결과를 얻었다.

CHASE 과학자들은 무엇을 했을까?

CHASE 팀은 고표면적 실리콘 소재를 사용하여 광전극을 만들었다. 이를 통해 분자 수준에서 촉매를 연구하고 화학 반응을 수행하는 데 있어서 촉매의 역할을 더 잘 이해할 수 있었다.

연구진은 코발트를 촉매로 사용하여 마이크로필러 형태로 3차원적으로 실리콘에 증착한 환경에서 메탄올이 더 높은 전류 밀도로 생성되는 것을 확인했다. 이는 미래에 액체 연료 생산에 사용될 수 있는 최첨단 광전극을 만들어낼 가능성이 있다.

실리콘 광전극의 두 가지 예. 왼쪽: 코발트 촉매를 사용한 마이크로필러 실리콘은 이산화탄소(CO2)를 메탄올(CH3OH)로 환원한다. 오른쪽: 레늄 촉매를 사용한 다공성 실리콘은 이산화탄소(CO2)를 일산화탄소(CO)로 환원한다. 이미지는 Daniel Kurtz, Bo Shang, Eleanor Stewart-Jones/에너지부에서 제공했다.

다른 접근 방식에서는 촉매를 나노다공성 실리콘에 통합한 후 코발트에서 레늄으로 변경했다. 이렇게 생성된 하이브리드 광전극은 CO를 메탄올로 환원하면서 더 높은 내구성과 선택성을 보였으며, 이는 기술을 확장하고 상용화할 때 중요한 고려 사항이다.

실험은 광전극을 구축하는 데 고표면 실리콘을 사용하는 이점을 보여주었다. 추가적인 기술 발전으로 CO2, 물, 햇빛만을 사용하여 연료 사용 및 생성의 폐쇄 루프를 만들 수 있는 날이 멀지 않을 것이다.

지속 가능한 지구를 향한 거대한 발걸음이다.