일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
인공광합성으로 CO₂에서 수지 원료를 만든다
화학업계 단체와 NEDO, 인공광합성의 광촉매 개발에 성공

지상에 내리쬐는 태양광을 사용하여 이산화탄소(CO₂)와 물에서 유기물을 만들어내는 ‘인공광합성’의 연구 개발이 열기를 띠고 있다. 지구온난화를 억제할 수 있을 것으로 기대를 받고 있다. 일본의 화학업체는 업계 전체가 기업연합을 조직하였다. 원유 대신에 CO₂에서 플라스틱 등의 재료가 되는 ‘올레핀’을 만드는 기술에서 세계 선두다. 2030년 무렵에는 인공광합성으로 만든 의류 등을 매장에서 구입할 수 있을지도 모른다.

“에너지 변환효율을 계획 이상인 3.7%로 높일 수 있었다. 순조롭게 진행 중이다”. 미쓰비시케미컬과 후지필름 등 6사∙단체로 구성된 기업연합인 ‘인공광합성 화학프로세스기술연구조합’과 신에너지산업기술총합개발기구(NEDO)는 8월에 새로운 광촉매 개발에 성공하였다고 발표하였다.

-- 변환효율 10%로 --
태양광에너지와 비교한 생성물의 에너지 비율인 에너지 변환효율은 17년 시점에서 3%를 상정하고 있었다. 실용화 수준인 10%는 21년도 달성을 목표하고 있으며 조금씩 목표에 가까워졌다. NEDO의 오가와(小川) 프로젝트 매니저는 “10%를 달성하기 위해 다양한 아이디어를 시험해보고 있다”라고 말한다.

인공광합성은 태양광의 빛을 활용하여 필요한 에너지를 만들어낸다. 식물의 광합성을 모방한 기술이다. 식물은 태양광을 사용하여 물이나 CO₂를 원료로 하여 합성 반응을 일으켜 성장에 필요한 탄수화물을 만든다. 부산물로서 산소도 만든다.

인공적으로 광합성을 만들기 위해서는 ①태양광(가시광)을 사용한다 ②물을 원료로 한다 ③빛 에너지를 광학에너지로 바꿔 에너지 물질을 생성한다는 3개의 요소를 동시에 달성할 필요가 있다. 실현된다면 깨끗한 에너지 확보가 현실이 된다.

-- 전류가 흐르기 쉽다 --
도쿄대학 등에 설치한 연구실에 기술조합 소속 기업들의 연구자들이 모여 아이디어를 교환한다. 계획으로는 우선 광촉매와 태양광으로 물을 분해하여 수소와 산소를 발생시킨다. 수소와 CO₂에서 수지 원료인 올레핀을 합성한다.

올레핀의 대부분은 원유를 정제하여 만드는 나프타를 분해해서 만든다. 에틸렌이나 프로필렌 등의 종류가 있으며 이러한 재료로 플라스틱이나 의류 등을 만들 수 있다. 올레핀은 고가에 매매되며 인공광합성으로 생성할 수 있을 것으로 기대를 받고 있다.

핵심기술 중 하나가 광촉매다. 연구팀은 이 중 물에서 수소를 생성시키는 광촉매로서 태양광발전재료에도 사용되는 CIGS에 주목. 동(銅)이나 인듐, 갈륨 등을 원료로 하여, 전류의 변화를 보고 원소의 구성 비율을 조정하였다. CISG와 접하는 반도체와의 사이에서 생기는 저항이 줄면서 전류가 쉽게 흐르게 되었다.

촉매를 채우는 전해액의 도전성을 높이는 등 고안을 하였다. 수소를 만드는 부분의 광촉매에 한하여 보면 수소로의 변환효율은 최대 12.5%로 세계 최고. 광촉매 전체의 변환효율로 보면 3.7%가 되었다.

앞으로는 저가로 만들 수 있는 촉매 제조법을 생각한다. 올레핀 합성에 사용하기 위해 수소와 산소를 효율적으로 나누는 막 개발에서, 수소의 폭발 위험을 억제하는 장치를 검토 중이다. 목표한 종류의 올레핀을 만들기 위해 재료의 제올라이트 구조를 연구한다.

프로젝트에는 21년도까지 10년 동안 총 145억엔을 투자한다. 20년대에 민간 주도의 개발로 이행한다. 프로젝트리더 세토(瀬戸) 씨는 “일사량이 많은 해외 지역에서 대규모로 실시하는 것이 바람직하다”라고 말한다.

●인공광합성에 관한 연구의 역사

촉매연구, 일본이 리드
주변분야 연구, 중국과 한국도 활발

광촉매 연구의 제1인자로 프로젝트를 지원하고 있는 도멘(堂免) 도쿄대 교수에 따르면 10년 정도 전에 일본뿐 아니라 유럽과 미국에서도 복수의 국가 프로젝트가 추진되었다고 한다. 당시는 전극에 태양광을 조사하는 방식이 주류였지만 산업 차원에서의 설계를 생각하면 빛을 조사하기 어렵다는 과제에 직면. 많은 국가 프로젝트가 신에너지 등 인공광합성 이외로 전환하였다. 국가 규모의 프로젝트가 건재한 것은 일본 정도라고 한다.

국내는 에틸렌 글리콜을 생성하는 도시바 외에 포름산을 만드는 오사카시립대학 인공광합성연구센터의 계획이 진행 중으로 비교적 층은 두텁다. 그 중에서 NEDO의 계획은 올레핀의 생성을 목표하는 점이 유니크하다. 대규모화에 적합한 광촉매 제조법도 가시화되었다고 하지만 효율은 아직 충분하지 못하다.

일본은 인공광합성의 촉매연구에서 세계를 리드해 왔다. 그러나 최근에는 중국이나 한국에서도 주변분야 연구가 활발하다고 한다. 도멘 교수는 “방심하지 말고 계속 추진하지 않으면 실제로 만들어야 할 때 추월을 당할지도 모른다”라고 말한다. 국가 프로젝트에서는 “기업이 적극적으로 대응할 수 있는 수준으로 가져가는 것이 중요하다”라고 말한다.

 -- 끝 --