UNIST, 물에 녹인 이산화탄소로 쉬운 화학반응 유도해 기후변화 대응 기대

[보안뉴스 박미영 기자] 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀은 이산화탄소를 사용해 전기와 수소를 생산하는 ‘수계 금속(아연, 알루미늄)-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn or Al–CO₂System)’을 개발했다. 수계(Aqueous)는 물 기반의 전해질을 사용했다는 의미로, 이 시스템에서는 물에 수산화칼륨이나 수산화나트륨 등을 미량 녹여 전해질로 사용한다.

이 시스템은 물에 녹인 이산화탄소를 활용해 작동하는 일종의 전지인데, 전기화학 반응 과정에서 기후변화의 주범인 이산화탄소는 제거되고 전기와 수소가 만들어지는 방식이다.

지구온난화 등 기후변화 문제가 심각해짐에 따라 이산화탄소를 저감하기 위해 전 세계적으로 이산화탄소를 포집·활용·저장하는 기술(CCUS) 개발이 활발히 진행되고 있다.

그런데 기체 상태의 이산화탄소는 화학적으로 매우 안정적인 상태라서 그 결합을 끊고 다른 물질로 변환하기 어려워, 세계 각국은 효율적으로 이산화탄소를 전환하기 위한 연구에 집중하는 상황이다.

이번 연구는 이산화탄소를 물에 녹이면 손쉽게 다른 물질로 전환할 수 있다는 점에 착안했다. 이산화탄소가 물에 녹게 되면 그 물은 수소이온(H)이 많아져 산성을 띠는 물이 되면서 전자(electron)들이 이동하면서 전기 에너지가 만들어지는 것이다. 이 시스템은 연료전지처럼 음극(아연, 알루미늄 금속)과 분리막·양극(촉매)으로 구성되고, 다른 전지와 달리 촉매가 물속에 담겨 있으며 음극과 도선으로 연결된다.

전기가 만들어지는 과정에서 이산화탄소는 다른 물질(탄산수소칼륨)로 변환되는데 이때 전환 효율은 57% 혹은 그 이상이 된다. 또한 그 과정에서 수소도 생산되기 때문에 일석이조의 효과를 거둘 수 있다.

‘이산화탄소’를 제거하는 동시에 ‘전기’를 생산해 ‘수소’까지 얻는 이번 기술은 지난해 본 연구팀이 공개한 ‘나트륨 금속–이산화탄소 시스템(Hybrid Na-CO₂system)’보다 효율성과 안전성이 크게 향상됐다.

기존보다 저렴한 전극(금속)과 분리막으로 바꿔 가격을 낮췄을 뿐만 아니라, 폭발 위험이 없어 안전하며 전기 출력과 수소 생산 속도도 크게 높아졌다.

김건태 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수는 “이 기술은 이산화탄소를 더 빠르고 값싸게 줄이면서 수소와 전기를 생산할 수 있는 활용성 높은 세계 최초 기술”이라며, “실증 연구 수준에 빠르게 도달한 만큼 상용화 가능성도 높을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

과기정통부는 본 연구 결과가 국제적인 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)에 게재(2019.5.22.)됐으며, 과기정통부 기후변화대응기술개발사업인 ‘Korea CCS 2020’사업의 지원을 받아 수행됐다고 밝혔다.
[박미영 기자(mypark@boannews.com)]

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