도요타, 태양광 변환효율 7.2% 달성 … 촉매 전환해 2030년 실용화

도요타중앙연구소(Toyota Central R&D Labs)가 실용화가 가능한 셀로 인공광합성을 실현하는 기초기술을 확립했다.
도요타중앙연구소는 태양광으로 생성한 전자를 남겨두지 않고 유기물 합성에 사용하는 구조를 고안했다고 최근 발표했다. 실용 태양전지 사이즈인 36센티미터각 셀을 사용한 시스템이며, 동일 사이즈 기준 세계 최고 태양광 변환효율인 7.2%를 달성했을 뿐만 아니라 시간당 4밀리리터의 포름산(Formic Acid) 합성에도 성공했다.
태양전지와 전극을 최적화했기 때문에 성능을 향상시키며 스케일업을 추진할 수 있고 현재 진행하고 있는 1미터각 셀을 사용한 실증실험에서 태양광 전환효율 10% 달성을 목표로 설정하고 있다.
촉매를 바꿈으로써 다양한 유기물 합성이 가능할 것으로 기대하고 있고, 촉매 장수명화 및 대체소재를 적용한 코스트다운을 실시함으로써 2030년경 실용화를 목표로 하고 있다.
도요타중앙연구소는 도요타그룹의 연구기관으로 1960년 설립돼 전동화, 자율주행, 기기‧센서 등 첨단 자동차 분야부터 에너지, 카본 프리, 스마트 시티 등 사회적 과제 해결까지 다양한 영역에서 연구를 진행하고 있다.
2011년에는 세계 최초로 물과 이산화탄소(CO2)만을 원료로 사용하는 인공광합성 실증실험을 진행했다.
인공광합성은 태양광 에너지로 물을 수소, 산소로 분해하고 수소와 이산화탄소를 활용해 유기화합물을 제조하는 프로세스이다.
도요타중앙연구소의 인공광합성 기술은 반도체와 분자 촉매를 조합한 전극을 활용하는 독자적인 방식이며 보조 요소가 필요하지 않은 완전 자립형이라는 특징이 있다.
이산화탄소를 함유한 수용액 내부에 태양전기를 연결한 산화용 전극(반도체) 및 환원용 전극(분자촉매와 반도체)가 들어간 구조로, 광에너지를 이용해 산화용 전극으로 물에서 전자를 추출하고 수소이온과 산소를 생성해 환원용 전극으로 전자와 수소이온을 사용한 유기물인 포름산을 합성하는 흐름으로 파악되고 있다.
조사한 태양광과 포름산 합성비율인 태양광 변환효율은 2011년 기본원리 실증 당시에는 식물 광합성의 5분의 1 수준인 0.04%에 불과했으나 2015년 2개의 전극을 1장으로 통합하는 인공 잎을 개발해 식물 광합성 효율을 뛰어넘는 4.6%를 달성했다.
스케일업이 가능한 기반기술 개발을 위해 산화용 전극의 반응면적을 확대하고 환원용 전극의 전기저항 저감, 전극 사이의 수소이온 이동거리 단축 등을 실현할 수 있는 최적화를 도모함으로써 포름산 합성효율 제고에 성공했다.
최근에는 인공광합성을 공장, 모빌리티 혹은 대기 중에서 회수한 이산화탄소를 유용한 유기물로 변환‧재이용하는 시스템으로 응용하는 방안을 구상하고 있다.
도요타중앙연구소 계산에 따르면, 태양광 변환효율 10%의 인공광합성을 공장부지 7헥타르에 설치하면 동일 면적으로 삼나무 숲을 조성했을 때의 100배에 달하는 연간 5000톤의 이산화탄소 처리가 가능한 것으로 파악되고 있다. 
합성한 포름산은 상온에서 액체이기 때문에 체적당 에너지밀도가 높고 운반 및 저장이 용이하며 액체연료(수소)로 재이용하는 것도 가능할 것으로 기대하고 있다.
다만, 실용화하기까지는 내구성 및 시스템 코스트를 낮추어야 하는 과제를 안고 있으며, 앞으로 촉매 원료 변환을 통해 코스트 저감에 주력할 방침이다.
현재는 산화반응에 사용하는 이리듐(Iridium)을 철계 산화물로, 환원반응에서 사용하는 루테늄(Ruthenium)을 망간(Manganese)으로 대체할 수 있도록 개발하고 있다.
합성 유기물은 신규 촉매 개발을 진행하면서 합성가스(일산화탄소‧수소)로 변환하는 등 광범위한 가능성을 모색하고 있다. (K)