태양 에너지를 이용하여 공기로부터 이산화탄소를 직접적으로 포획하여 연료로 전환하는 방안은 지구 온난화를 완화시키는 수단을 제공하는 한편, 미래 에너지 수요를 지원한다.


자연적인 광합성이 이산화탄소와 물을 탄수화물로 전환시키는 반면, 이 공정은 단 0.5~2.0%의 효율을 나타내고, 결과적으로 얻어지는 바이오매스의 에너지 함량은 낮다.


증가하는 에너지 니즈와 결합한 대기에 포함되어 있는 이산화탄소 수준을 증가시키는 것은 자연에서 사용하고 있는 효율보다 10배 이상 더 높은 효율을 나타내는 인공 광합성 시스템(artificial photosynthetic system)을 개발하는 동인을 제공했다.


>10 mA cm-2 의 광전류 밀도(photocurrent density)와 >2V의 광전압을 제공하는 일광 흡수자(light absorber)의 규명은 >10%의 효율적인 인공 광합성 시스템을 위한 필수조건이다.


미국 로렌스 버클리 국립 연구소 산하 JCAP(Joint Center for Artificial Photosynthesis) 소속의 연구진과 UC Berkeley 소속의 연구진으로 구성된 연구팀은 포화 염전해질(saturated salt electrolytes)을 이용하여 최소의 제품 크로스오버로 거의 순수한 에탄올을 직접 합성하고 격리하는 인공 광합성을 제안했다.


RSC의 Energy & Environmental Science 저널에서, Alexis Bell 교수와 박사 후 과정 연구원인 Meenesh Singh는 0.85 mA cm-2의 전류 밀도에서 다결정 구리 음극(polycrystalline copper cathode)과 IrO2 양극(IrO2 anode)을 이용하여 >90wt%의 순수한 에탄올을 연속적으로 생산하는 통합적인 인공 광합성 시스템의 새로운 디자인에 대하여 기술했다.


10mA cm-2(12%의 일광을 연료로 전환시키는 효율 수준)에서 이러한 광합성 시스템 운영을 이용하여 >90wt% 에탄올의 연간 생산 속도는 제곱킬로미터당 연간 1천 527만 갤런이며, 이러한 양은 캘리포니아의 산업적 에탄올 생산의 약 7%에 상응하는 것이라고 연구진은 제안했다.


물과 이산화탄소를 연료로 전환하는 일광 유발의 전기화학적 전환의 실질적인 효율 한계가 일광 흡수자 조성, 특성 및 촉매조성의 함수로 조사됐다.


다양한 태양 연료의 단열 전기화학적 합성을 위하여 1-태양 일루미네이션(sun illumination)에서 최대 열역학 효율은 32~42%의 범위에 있었다.


단일-, 2중- 및 3중 접합 일광 흡수자가 각각 0~0.9 V, 0.9~1.95 V 및 1.95~3.5 V의 전기화학적 부하 범위에 대하여 최적의 효율을 나타냈다는 것이 확인됐다.


성취할 수 있는 STF(solar-to-fuel) 효율이 이상적인 이중-, 3중 접합 일광 흡수자를 이용하여 결정됐으며, 은과 구리 음극에 대한 이산화탄소의 환원에 대한 전기화학적 부하 곡선 및 이리듐 산화물(iridiumoxide)에 대한 물 산화 역학이 결정됐다.


합성가스(산소와 일산화탄소)와 하이탄(Hythane, 수소와 메탄)에 대해 최대 성취할 수 있는 STF 효율은 각각 18.4%와 20.3%였다. 광전기화학 전지(PECs; photoelectrochemical cells)의 실제적인 STF 효율이 0.8%로 낮은 반면, 적층형 PECs와 광전지 전해조(photovoltaic electrolyzer)는 이상적인 운영 조건에서 7.2%로 운영될 수 있다.


연구진은 태양 연료의 조성과 에너지 함량이 3중 접합 일광 흡수자(triple-junction light absorber)의 밴드갭, 촉매-PV 면적의 비율 및 액체 생성물과 C2H4의 합성이 높은 수익성 지수(profitability indices)를 가지도록 조정하는 등으로 조절될 수 있다는 것을 보여주었다.


액체 연료의 인공 광합성은 청정에너지를 위한 가능한 자원이다. 알코올(alcohols)의 높은 에너지 밀도와 에너지 투입량 대비 시장 가치를 이유로, 알코올은 액체 연료의 인공 광합성을 위한 제품으로 특히 매력적이라고 연구진은 밝혔다.


JCAP에서 수행된 다른 연구는 이산화탄소를 메탄올로 전기화학적으로 환원시키는 것을 조사한 바 있다.


일광, 물 및 이산화탄소 등으로부터 알코올의 광/전기화학적 합성에 있어서 주요 도전 과제는 낮은 생성물 선택성(product selectivity), 높은 막 연료-크로스오버 소실 및 전해질로부터 생성물 분리에 소요되는 높은 비용 등이다.


제안된 시스템에서, 포화 염 전해질에서 생성된 에탄올은 상을 액체-액체 추출기에서 순수한 제품으로 수집할 수 있는 마이크로에멀젼(microemulsion)으로 쉽게 분리될 수 있다.


JCAP는 에너지 혁신 허브로 2010년 미국 에너지부(DOE; Department of Energy)에 의해 설립되었으며, 통합적인 일광에너지를 화학 연료로 전환시키는 시스템을 개발과 개발된 시스템을 실험 단계에서 상용화될 수 있는 규모로 전환시키는 것을 목표로 한다.


프로그램의 첫 단계는 일광 수소 생산에 초점을 맞추었으며, 2015년 9월에 완성됐다. 2014년 4월, DOE는 추가 5년 동안 7천5백만 달러를 지원했다.


캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology) 주도로, JCAP는 로렌스 버클리 국립 연구소와 통합적인 파트너십을 구축했다.


부가적으로 JCAP는 캘리포니아 대학 어바인 캠퍼스(University of California campuses at Irvine), 캘리포니아 대학 샌디에이고 캠퍼스(University of California campuses at San Diego) 및 SLAC 국립 가속기 연구소(National Accelerator Laboratory) 등의 연구진과 협력하여 연구를 수행하고 있다.

위 자료는 KISTI 미리안 <글로벌통향브리핑>의 발표자료를 요약한 것이다.

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