[미국] 태양에너지를 이용하여 이산화탄소를 연료로 전환하는 방안
공기로부터 이산화탄소(carbon dioxide)를 직접 포획하여 태양 에너지(solar energy)를 이용하여 연료(fuel)로 전환하는 것은 지구 온난화를 완화시키는 수단을 제공하는 한편, 미래 에너지 수요를 지원할 것이다. 자연적인 광합성(natural photosynthesis)이 이산화탄소와 물을 탄화수소로 전환시키는 반면, 이 공정은 단 0.5~2.0% 효율을 기록하고, 결과적으로 얻어지는 바이오매스의 에너지 함량은 낮다.
증가하는 에너지 니즈와 결합한 대기에서 이산화탄소 수준의 증가는 자연에서 이용되는 것보다 최소 10배 이상 더 효율이 높은 인공 광합성 시스템에 대한 연구에 동인을 제공했다. >2 V의 광전압과 >10 mA cm-2의 광전류 밀도를 제공하는 일광 흡수자(light absorber)의 규명은 최소 10% 이상의 효율적인 인공 광합성 시스템을 구현하는데 필요한 전제조건이다.
미국 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory) 산하 인공 광합성 조인트 연구소(Joint Center for Artificial Photosynthesis) 소속의 연구진은 자연적인 광합성의 10배 이상 증가된 효율로 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 연료로 전환하는 방안을 개발했다. Meenesh Singh, Ezra Clark 및 Alexis Bell 등의 연구진은 관련 연구를 미국 국립과학원 회보(PNAS; Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표했다. 연구진은 연구진이 테스트한 다양한 시나리오에 대하여 기술했으며, 효율에서 관찰된 이러한 증가가 어떻게 가능했는지에 대하여 설명했다.
이산화탄소는 일산화탄소(carbon monoxide)와 수소(hydrogen)의 혼합물로 또는 수소와 메탄의 혼합물로 전환하는 것은 대기로부터 이산화탄소를 제거하고 보다 더 청정한 연료를 제공하는 두 가지 이득을 제공한다. 이러한 기술은 자연적인 광합성을 모방하지만, 현재의 기술은 약 7%까지의 효율을 달성하는 데 그친다. 로렌스 버클리 국립 연구소 소속의 연구진은 훨씬 더 높은 효율을 구현할 수 있을 것으로 믿고 있다. 연구진은 미국 에너지부(U.S. Department of Energy)의 후원으로 프로그램을 진행해왔으며, 5년 이내에 시제품을 구축할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 최신 연구에서, 연구팀은 4가지 다른 유형의 인공 광합성 기술을 조명했다.
4가지 다른 유형의 인공 광합성 중 3가지 기술은 광전지(photoelectric cell)에 의존하고, 다른 한 가지인 광전지 구성 요소는 반응 챔버의 외부에 배치되는 시스템인 광전지 전해조(photovoltaic electrolyzer)를 포함하고 있다. 또 이 연구의 일환으로 연구팀은 반응에서 구리 음극(copper cathode) 또는 은 음극(silver cathode)을 사용하는 방법에 대하여 조명했다.
열역학적으로 일광을 추진하여 물과 이산화탄소를 연료로 전기화학적으로 전환하는 전기화학적 전환이 일광 흡수 요인의 기능과 특성 및 촉매 조성 등의 측면에서 조사됐다. 다양한 일광 연료의 단열의 전기화학적 합성을 위한 1-sun illumination에서 최대 열역학적 효율은 32~42%의 범위에 있다. 단일, 이중 및 3중 접합 일광 흡수자는 각각 0~0.9 V, 0.9~1.95 V, 및 1.95~3.5 V 등의 전기화학적 부하 범위에 대하여 최적의 성능을 낼 수 있다는 사실이 확인됐다.
성취할 수 있는 STF(solar-to-fuel) 효율은 이상적인 2중 및 3중 일광 흡수자, 은 음극과 구리 음극에 대한 이산화탄소의 환원에 대한 전기화학적 부하 곡선 및 이리듐 산화물에 대한 물 산화 역학 등을 이용하여 결정됐다. 수소와 일산화탄소의 합성가스에 대해 최대 달성할 수 있는 STF 효율과 헤탄(Hythane, 수소와 메탄, hydrogen-methane)의 STF 효율은 각각 18.4 %와 20.3%이다. 하이탄은 천연가스 또는 디젤보다 연소할 때 훨씬 더 적은 배기가스를 생성한다고 연구진은 지적했다.
반면 실제적인 광전기화학전지(PECs; photoelectrochemical cells)의 STF 효율은 0.8%로 낮았다. 적층형 PECs와 PV 전해조는 이상적인 운영 조건에서 7.2%에서 운영됐다. 연구진은 태양 연료의 에너지 함량과 조성이 3중 접합 일광 흡수자(triple-junction light absorber)의 밴드-갭을 조정 또는 촉매와 PV 면적 비율에 의해 조절될 수 있으며, 액체 생성물과 메탄의 합성 비율은 높은 수익성 수지를 나타냈다고 밝혔다.
연구팀은 이 연구로부터 출현한 특정 장치가 큰 일광 복합체의 한 부분으로 사용될 수 있을 것이며, 연구팀이 미래 니즈를 충족하는데 충분하지 않다고 믿고 있는 배터리가 관여하는 방식과는 다른 방식으로 과도한 에너지를 저장하는 방법을 제공한다고 믿고 있다. 연구진은 이러한 장치가 주변 공기로부터 이산화탄소를 직접적으로 끌어당길 수 있는지 여부를 장담할 수 없지만, 천연가스 유정으로부터 생성된 기체처럼 현재의 공급원을 이용하기 위한 더 현명한 아이디어가 될 수 있다고 지적했다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 11월 02일]
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Study suggests a ten-fold efficiency increase possible when converting carbon dioxide to fuel using solar energy
A trio of researchers with Lawrence Berkeley National Laboratory working at the Joint Center for Artificial Photosynthesis has found that it should be possible to achieve an approximate ten-fold increase in efficiency over natural photosynthesis, when converting carbon dioxide to fuel using solar energy. In their paper published in Proceedings of the National Academy of Sciences, Meenesh Singh, Ezra Clark and Alexis Bell describe the various scenarios they tested and why they believe it should be possible to achieve such boosts in efficiency.
Converting carbon dioxide to carbon monoxide and a blend of hydrogen, or better yet, to a mix of hydrogen and methane would offer the twin benefits of providing a cleaner fuel and removing carbon dioxide from the atmosphere. Such techniques mimic natural photosynthesis, but take the idea farther—plants range in efficiency from 0.5 to 2 percent—current technology bumps that up to approximately seven percent, but the researchers at Lawrence Berkeley believe it can be pushed much higher. They have been working under a program funded by the U.S. Department of Energy and hope to have a prototype within five years. In this latest work the team looked at four different types of artificial photosynthesis techniques, three of which rely on photoelectric cells (with different numbers of p-n junctions) the other involves a photovoltaic electrolyzer, which is a system where the photovoltaic component lies outside of the reaction chamber. As part of the study, they also looked at using copper or silver cathodes in the reactions.
The team has found that thus far, two configurations appear to be ideal—one should be able to produce a synthetic gas at 18.3 percent efficiency, while the other should be able to produce hythane at approximately 20.3 percent efficiency. Hythane, they note, produces far less emissions when burned, than either natural gas or diesel.
The team believes that any devices that emerge from their research would likely be used as part of a large solar complex, offering a way to "store" excess energy in a way that does not involve batteries, which the team believes are not sufficient to meet the needs of the future. They are not sure whether such devices would actually be able to pull the carbon dioxide directly from the surrounding air, however, noting that it might be a better idea to use a current source, such as gas generated from a natural gas well.
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