Nikkei Ecology_2017.5 (p54-56)

인공광합성: CO₂를 고부가가치 재료로 이용
2030년 실용화 위해 변환 효율을 높인다
바바 미키 (馬場　未希) / Nikkei Ecology 편집자

빛의 에너지를 이용, 물과 CO₂에서 연료 및 플라스틱의 원료를 제작한다. 고효율과 비용 절감을 무기로 수 년 후의 대규모 실용화를 목표로 한다.

식물의 광합성 원리를 이용한「인공광합성」기술 개발이 가속화되고 있다. 광합성은 에너지를 이용해 물과 CO₂에서 산소와 탄수화물을 만들어낸다. 탄수화물은 식물의 줄기와 잎 등으로 된다. 인공광합성은 빛의 에너지를 활용해 CO₂로부터 유기물을 만든다. 연료나 플라스틱 등의 원료가 되는 유기물이 만들어진다면 화석에너지 자원의 이용을 줄일 수 있게 될 것이다.

미국이나 유럽에서도 개발이 추진되고 있지만, 일본의 연구는 많은 종류의 유기물 개발 등으로 세계 최고 수준이라고 말할 수 있다. 2020~2030년대의 실용화를 목표로 개발 업체들이 경쟁하고 있다. 온난화의 원인이 되는 CO₂를 효율적으로 이용하는 CCU(CO₂ 회수 이용)로도 주목 받고 있다.

■ CO₂로 메탄 및 에틸렌을 만들다
쇼와(昭和)쉘석유는 작년 12월, 탄화수소인 메탄과 에틸렌을 기체인 CO₂에서 합성하는 실험에 성공했다. 태양광만을 이용해 CO₂를 직접 탄화수소로 변환시키는 실험이다. 다른 기업의 기술들은 CO₂를 물에 녹이거나, 합성하는데 여러 단계의 공정이 필요하지만, 이번 실험에서는 그 과정이 필요 없다. 또한, 메탄과 에틸렌은 합성이 어렵다고 알려져 있어 이번 발표는 주목을 모으고 있다.

합성에는 두 가지「전극」이 사용된다. 하나는, 100% 자회사인 Solar Frontier제 태양전지와 광촉매로 구성된「태양광촉매 전극」이다. 다른 하나는, 탄소섬유 시트에 촉매가 되는 동이나 은을 나노 입자로 만들어 첨가한 솔라프론티어만의 독자적인「가스 확산 전극」이다. 촉매는 화학 반응을 촉진하는 물체를 말한다. 쇼와쉘석유는 실험에서 태양 극은 물에 침투되고, 가스 확산 전극은 안쪽은 물에, 바깥쪽은 공기에 닿도록 만들었다.

태양광촉매 전극에 태양광을 비추면 전자(電子)가 활성화되어 물이 촉매에 반응하고, 이를 통해 산소와 수소이온이 발생하게 된다. 가스 확산 전극에서는 바깥쪽에서 투입되는 상온(常溫)∙상압(常壓)의 CO₂가 그물 모양의 다공질(多孔質)시트에 높은 농도로 저장된다. 이때 태양광에서 이동해온 수소이온이 CO₂와 반응, 탄소와 수소의 화합물인 메탄과 에틸렌을 발생시키는 것이다. 인공광합성 성능은 태양광 에너지가 물질의 에너지로 얼마만큼 변환될 수 있는가를 나타내는「변환 효율」로 나타낸다. 실험에서는 메탄은 0.61%, 에틸렌은 0.1%로, 합계 0.71%의 효율을 나타냈다. 식물이 전분을 만드는 효율인 0.1~2.5와 비교해 손색이 없다고 말할 수 있다.

쇼와쉘은 앞으로 10% 정도로 효율을 높일 계획이다. 「보다 뛰어난 최적의 조건을 찾을 것이다」라고 쇼와쉘 중앙연구소 제 2연구팀의 와키(脇) 팀 매니저는 말한다. 시트에 첨가되는 촉매의 혼합 비율 및 재료, 태양 극의 구조를 재검토하는 등의 개선책이 고려되고 있다. 2030년까지 탄화수소와 함께 플라스틱이나 섬유, 의료품 등의 원료가 되는 알코올 등, 부가가치가 높은 물질을, 높은 효율을 통해 만드는 기술을 확립하는 것을 목표로 하고 있다. 이것이 실현된다면, 미래에는 제유소의 석유정제 설비 설치에 인공광합성 플랜트가 등장할 수도 있을 것이다.

■ 플라스틱 원료의 합성
화학 제조사업계는 화석에너지 자원을 대체할 수 있는 재료의 합성에 도전하고 있다. 플라스틱 및 고무는 원유를 정제해서 만든 나프타(Naphth)의 분해로 생성된 올레핀(Olefin)으로부터 제조되고 있다. 이 올레핀을 CO₂에서 합성하려는 것이다. 신(新)에너지∙산업기술 종합개발기구(NEDO)가 경제산업성의 예산으로 산∙관∙학 기관에 개발을 위탁. 와세다 대학과 도쿄 대학, 도쿄공업 대학, 미쓰비시(三菱)화학, 스미토모(住友)화학, 미쓰이(三井)화학 등이 개발에 참여하고 있다.

작년에는 3%의 변환 효율을 달성, 물에서 수소를 생성하는 기술에 대한 가능성이 보이기 시작했다. 2012년 개발 당시에는 0.2%의 효율이 목표였지만, 광촉매 구조의 연구 성과가 효율성 증가에 크게 공헌하였다. 이 프로세스에서는 2가지 광촉매가 이용된다. 태양광으로 산소를 발생시키는 광촉매와 이때 나타나는 전자를 이용해 산소를 발생시키는 광촉매이다. 반응을 촉진하기 위해 가시광을 효율적으로 이용하는 산질화물 형광체 등의 촉매 재료를 연구, 광촉매 구조를 바꿔 효율을 높였다.

2030년 경의 상업용 플랜트 가동을 목표로, 시트 모양의 광촉매도 개발하고 있다. 변환 효율은 1.1%지만, 두 가지 촉매에 사용된 재료를 분말로 만들어 한 장의 유리 기판 위에 정렬, 2가지 촉매를 한 개로 통합해, 면적의 확대와 저비용화 효과를 노린다. 수중에서 발생하는 산소를「분해막」을 통해 안전하게 추출하는 기술도 확립할 계획이다. 분해막에는 제올라이트(Zeolite)나 이산화 규소, 탄소 등, 다공질 재료가 검토되고 있다. 재료가 가진 나노 사이즈의 구멍을 활용해, 용액에서 분자인 작은 수소를 추출한다.

추출된 수소와 CO₂에서 만들어진 일산화탄소를 반응시켜 메탄올을 합성하고, 한 단계 더 나아가, 독자적 기술을 통해 올레핀으로 변화시키는 기술도 연구하고 있다. 올해, 83%의 높은 효율로 올레핀을 만드는 기술의 실마리를 찾은 NEDO 연구팀은, 2021년, 10%의 수소 변환 효율을 목표로 하고 있다. 30cm 크기의 광촉매 모듈을 개발, 2030년경 상업용 시스템의 실용화를 검토하고 있다.

■ 식물보다 높은 고효율 실현
태양광 변환 효율의 선두 주자는 토요타그룹의 토요타중앙연구소(아이치 현)이다. 2011년, 세계 최초로 인공광합성을 통한 폼산(포름산) 제조 성과를 발표, 2015년에는 4.6%이라고 하는 세계 최고 수준의 변환 효율을 달성했다. 폼산은 화학 산업에서 사용되는 원료 등에 이용될 가능성이 있다.

식물의 광합성보다 높은 효율이란 성과의 열쇠가 된 것은「최대한 단순화해서 전기 손실과 역방향 화학 반응을 억제한 전극의 구성이다」라고 토요타중앙연구소의 모리카와(森川) 시니어펠로는 말한다. 전극은 적층 구조로 되어있다. 태양광을 비추면 전자가 활성화되어, 산화 이리듐이 물 속에서 전자와 수소이온을 발생시키는 촉매로 작용한다. 한편, 반대편의 다공질 탄소섬유 시트의 요철에는 물에 녹아있던 CO₂가 모이게 된다. CO₂는 시트에 첨가된 촉매에 의해 활성화되고, 이동해온 전자와 수소이온이 반응해 폼산이 된다. 이 촉매는 루테늄 이온에 질소와 산소, 탄소 분자가 결합된 것이다. 두 가지 촉매 사이에 반도체를 삽입한 구조로 만들었기 때문에 폼산 생성에 꼭 필요한 전자가 전극의 적층 내부를 효율적으로 이용할 수 있다.

「앞으로, 저비용화와 효율 향상뿐만 아니라, 부가가치가 높은 알코올 등을 직접 만드는 연구에도 주력할 계획이다」라고 모리카와 씨는 말한다. 비용을 낮추기 위해 루테늄이나 산화 이리듐 촉매를 자원양이 풍부한 망간이나 철 등을 이용한 물질로 대체 가능한지를 현재 검토 중에 있다.

■ PET원료도 제조 가능하게
도시바는 독자적인「분자 촉매」를 이용해 CO₂를 에틸렌글리콜로 변환시킨다. 에틸렌글리콜도 생성되기 어려운 유기물로, PET병이나 섬유 등 화학 공업의 원료로 사용되는 부가가치가 높은 물체이다. 작년에는 변환 효율 0.48% 달성에 성공했다.

여기서도 두 가지 촉매가 사용된다. 태양전지에 태양광을 비추면, 물과 산화 촉매가 반응해, 산소와 수소이온이 발생된다. 한편, 분자 촉매에서는 용액에 녹아 있는 CO₂와 산소이온이 반응해 에틸렌글리콜을 만든다. 분자 촉매는 유황과 질소, 탄소, 수소 등이 결합된 것으로, 금으로 만들어진 기판 위에 화학적으로 흡착된다. CO₂는 질소에 이끌리기 쉬운 성질을 가지고 있어, 이 분자 촉매를 사용했다.

본래 이 프로세스에서는 에틸렌글리콜보다도 수소가 발생되기 쉽다. 그러나 분자 촉매를 이용해 에틸렌글리콜의 생성 반응이 일어나기 쉬운 환경으로 만든 것이다. 「효율을 10%로 높여, 2020년대의 실용화를 목표로 하고 있다. 언젠가는 화력발전소나 공장에서 배출되는 CO₂를 이용해 부가가치가 높은 물질을 생산하고 싶다」라고 도시바연구개발센터 트랜스듀서기술연구소의 미코(御子) 연구주임은 말한다.

각 기업에게는 상업용 플렌트로 만들기 위한 더욱 낮은 제작 비용과 효율 개선이 과제로 남아있지만, 이 두 가지 모두 방향성은 보여지고 있다. 향후, 온난화를 일으키는 CO₂의 활용으로 생산되는 지속 가능한 공업 원료의 등장을 기대해도 좋을 듯하다.

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