온난화 주범 '이산화탄소'의 변신…'인공광합성' 고성능 대면적 전극 개발

(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 온난화와 대기오염 주범으로 종종 지목받는 '이산화탄소'를 고부가가치를 지닌 화학물질로 전환하는 기술이 보다 효율화 됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 국가기반기술연구본부 청정에너지연구센터의 오형석, 이웅희 박사 연구팀이 베를린공과대학과(TU-Berlin)의 공동 연구를 통해 인공광합성 방법의 하나인 전기화학적 이산화탄소 포집·전환에 효율적인 나노 전극을 개발하고 대형화에도 성공했다고 30일 밝혔다.

인공광합성 시스템은 기후변화의 원인으로 지목받는 이산화탄소를 고부가가치를 가지고 있는 화학 물질로 전환하는 기술이다.

이산화탄소의 일산화탄소 전환은 상대적으로 적은 에너지로 에틸렌, 메탄올 같은 유용한 물질로 전환 할 수 있어 경제적이라고 평가 받고 있다. 특히 제철소를 비롯한 고농도 이산화탄소 기체가 많이 발생하는 산업에 이러한 기술을 적용할 경우, 탄소 배출 저감효과와 함께 부가가치를 창출할 수 있다. 최근에는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 분야가 높은 관심을 받고 있다.

기존 이산화탄소 전환 연구는 주로 액체 상태에서 진행돼 전극을 물에 담근 형태로 성능을 측정하는데, 이산화탄소는 물에 잘 녹지 않아 투입 에너지 대비 충분한 효율을 얻지 못하고 있었다.

공동 연구진은 기체 상태에서의 이산화탄소를 일산화탄소 전환하는 반응을 효율적으로 수행하는 높은 나노미터(1억분의 1미터) 규모의 산호 모양의 지닌 은 촉매 전극을 개발했다. 이 촉매는 기존 은 촉매에 비해 반응에 필요한 에너지가 적으며, 기존 액상 시스템보다 100배 이상의 일산화탄소를 생성할 수 있었다. 전극을 실험실 규모(손톱 크기)의 기술 실증을 벗어나 실용화될 수 있도록 대면적화(50㎠)하는 데에도 성공했다.

개발과정에서 촉매 전극의 반응 과정을 살피기 위해 위해 다양한 실시간 분석(Operando Analysis)이 쓰였다. 여기서 말하는 실시간 분석은 X선, 레이저 분석기술, 전자현미경 등을 이용해서 촉매와 전극의 반응과정을 관측하는 것이다.

연구진은 포항의 방사광가속기를 이용해 '실시간 X선 흡수 분석법'을 이용했다. 실시간 분석 결과 산호 형태의 은 나노 전극 촉매가 높은 표면적 및 다공성 구조로 인해 이산화탄소와의 접촉면이 넓어져 반응 효율이 높아진다는 결론을 얻었다. 전극 제조에 쓰인 염소 이온이 잔존해 전극의 특성에 영향을 끼친다는 분석 결과도 제시했다.

연구진은 전극이 소수성이 이산화탄소 전환 효율에 영향을 끼침을 확인해 향후 이산화탄소 전환 시스템 연구에서 전극 개발 방향을 제시했다. 이번 기술 실용화를 위해서는 귀금속인 은을 촉매로 사용하는 만큼 경제성을 확보해야 하고, 반응 과정에서 전극에 물이 맺혀 이산화탄소 전환 효율이 떨어지는 등의 문제를 해결해야 한다.

오형석 박사는 "나노미터 크기의 산호 형태 은 촉매 전극의 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 효율 및 성능을 크게 높였고 추후 연구 방향도 제시하였다"며 "이번 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 연구 개발에 크게 기여할 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요 사업 및 기후변화대응기술개발사업 수행됐으며 결과는 에너지 환경 분야 국제 학술지 나노 에너지(Nano Energy)에 게재됐다.