켄텍 오명환 교수 연구팀, 탄소 포집과 전환 하나로 묶은 전극 기술 개발

양재연 학생이 핵심적인 분자동역학 계산 수행…산업 시설과 분산형 배출원 적용 가능한 탄소 저감 기술

대기 중 CO₂ 포집 변화 추이 그래프./사진제공=한국에너지공과대학교

한국에너지공과대학교(이하'켄텍')는 최원용·오명환 에너지공학부 교수팀이 희석한 이산화탄소(CO₂) 조건에서도 포집과 전환을 하나의 전극 구조 안에서 동시에 수행할 수 있는 새로운 전기화학 전극 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다.

대기 중 이산화탄소는 기후변화의 주요 원인으로 지목되지만 산업 현장서 배출되는 이산화탄소는 질소와 산소 등 다른 기체들과 섞인 희석된 형태로 존재하는 경우가 많다. 이로 인해 이산화탄소의 효율적 포집과 전환에는 기술적 한계가 있었다.

이번에 개발한 전극은 이산화탄소를 선택적으로 포집하는 다공성 탄소층, 이산화탄소를 개미산(formic acid)으로 전환하는 주석 산화물(SnO₂) 촉매층, 기체 확산과 전자 전달을 담당하는 탄소 종이층으로 구성된다. 이를 통해 이산화탄소 분리와 화학 전환이 하나의 전극 내부에서 연속적으로 일어나도록 설계됐다.

오 교수는 "세 개의 층을 어떤 순서와 역할로 배치해야 하는지에 대한 설계 원리를 제시한 것"이라며 "기체상 이산화탄소가 액체상 개미산으로 전환되는 전기화학 반응에 최적화된 전극 구조를 보여준다"고 말했다.

실험 결과 해당 전극은 이산화탄소 15%, 산소 8%, 질소 77%로 구성된 모사 배기가스 조건에서도 안정적으로 개미산을 생성했으며, 약 400ppm 수준의 낮은 이산화탄소 농도에서도 반응이 가능한 것으로 확인됐다.

연구진은 실험과 함께 분자동역학 시뮬레이션과 이론 계산을 병행해 전극 내부에서 이산화탄소와 산소의 이동과 흡착 거동을 분석했다. 이 과정에서 에너지공학부 양재연 학생(4학년)이 핵심적인 분자동역학 계산을 수행했다.

제1저자인 동라이 판 연구원은 "연구 결과가 탄소 포집과 전환을 하나의 전극 플랫폼으로 통합할 수 있음을 보여준 사례"라며 "향후 촉매와 탄소 소재 설계를 확장하면 다양한 탄소 전환 반응으로도 응용할 수 있을 것이다"고 말했다.

연구팀은 이번 성과가 대규모 플랜트뿐 아니라 소규모 산업 시설이나 분산형 배출원에도 적용 가능한 탄소 저감 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 국제학술지 ACS Energy Letters에 게재됐다. 미국화학회(ACS)는 본 연구를 주목할 만한 성과로 선정해 공식 보도자료를 통해 소개했다.

나주(전남)=나요안 기자 lima68@mt.co.kr

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