전남대, 태양빛만으로 CO₂를 연료로 전환… 인공광합성 기술 한 단계 도약

은 단원자 촉매 기반 CO₂ 전환 시스템 개발… 효율 2배·무전원 작동 구현하며 탄소자원화 기술 경쟁력 확보

전남대학교 연구팀이 태양빛만으로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 차세대 인공광합성 기술을 개발하며 탄소중립 실현을 앞당길 핵심 원천기술을 확보했다. 화학교육과 강순형 교수 연구팀은 포항가속기연구소, 한양대학교와 공동으로 은(Ag) 단원자 촉매를 기반으로 한 태양광 CO₂ 전환 시스템을 구현했으며, 기존 기술 대비 2배 이상의 태양–연료 변환 효율을 달성해 주목받고 있다. 이번 기술은 전력 공급 없이 태양빛만으로 작동하는 자가 구동형 시스템이라는 점에서 연구적·산업적 의미가 크다.

연구팀이 개발한 시스템은 태양–연료 변환 효율 8.8%, 패러데이 효율 94%를 기록하며 CO₂ 전환 분야 최고 수준의 성능을 입증했다. 특히 은 단원자 촉매를 아연 인산염(Zn₃(PO₄)₂) 나노입자에 균일하게 도입해 반응 선택성과 효율을 크게 높인 것이 핵심이다. 은 단원자는 촉매 내부의 전자 구조를 정밀하게 조절해 CO₂가 흡착·전환·탈착되는 반응 단계가 훨씬 원활하게 진행되도록 돕는다. 본 연구에서 활용된 GaAs 기반 광전극과 Pt 단원자 니켈산화물(NiOOH) 광양극의 조합은 외부 전력 없이도 CO₂ 전환 반응을 지속적으로 유지하게 하는 기반이 됐다.

한양대학교 김병현 교수팀은 밀도범함수(DFT) 계산을 통해 은 단원자 도입이 가져온 성능 향상 원리를 이론적으로 확인했다. 계산 결과, 은 단원자가 결합하면 촉매 표면의 전자 분포가 바뀌어 반응에 필요한 에너지가 크게 줄어들고, 그 결과 전체 CO₂ 전환 과정이 효율적으로 진행되는 것으로 나타났다. 특히 과전압이 0.49V까지 감소하면서 기존 전기화학식 CO₂ 전환 방식이 가진 에너지 비효율 문제가 상당 부분 해소되었음을 보여준다. 즉, 이번 기술은 실험적 성과와 이론적 증명이 함께 이루어진 견고한 연구라는 점에서 학술적 완성도를 높였다.

강순형 교수는 태양광만으로 CO₂를 유용한 자원으로 전환하는 기술은 탄소중립 사회 실현을 위한 핵심 수소·탄소 순환 기술이라며, 이번 연구가 차세대 인공광합성 시스템의 실용화 가능성을 한 단계 끌어올렸다고 설명했다. 연구의 성과는 에너지 분야 세계적 학술지 Advanced Energy Materials 2025년 11월호에 게재되었으며, 한국연구재단의 대학중점연구소지원사업 및 중견연구 지원을 받아 수행됐다.

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