'희석된 이산화탄소 전환'…켄텍, 탄소포집·전환 묶은 전극 시스템 개발

한국에너지공과대학교 에너지공학부 최원용 교수, 오명환 교수 연구진.

한국에너지공과대학교(KENTECH)는 희석된 이산화탄소 조건에서도 포집과 전환을 하나의 전극 구조 안에서 동시에 수행할 수 있는 새로운 전기화학 전극 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다. 이번 연구는 산업 배출가스와 같이 낮은 농도의 이산화탄소 환경에서도 별도의 분리 공정 없이 전환 반응이 가능함을 보여준 성과다.

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

이번 연구를 수행한 켄텍 에너지공학부 최원용 교수, 오명환 교수 연구진은 이산화탄소 포집과 전기화학적 전환이 하나의 전극 내부에서 연속적으로 일어나도록 전극 구조를 설계했다.

연구진이 개발한 전극은 이산화탄소를 선택적으로 포집하는 다공성 탄소층, 이산화탄소를 개미산(formic acid)으로 전환하는 주석 산화물 촉매층, 기체 확산과 전자 전달을 담당하는 탄소 종이층으로 구성된다. 이를 통해 이산화탄소 분리와 화학 전환이 하나의 전극 내부에서 연속적으로 일어나도록 설계됐다. 개미산은 액체 형태로 저장과 취급이 비교적 용이한 물질로, 이산화탄소를 보다 활용 가능한 화학물질로 전환할 수 있다는 점에서 의미를 갖는다.

오명환 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 켄텍 에너지공학부 양재연 학생(학부 4학년)이 핵심적인 분자동역학 계산을 수행했으며, 학부 연구 참여를 통해 성과를 도출했다.

최원용 교수는 "이번 연구는 탄소 포집과 전환이 반드시 분리된 공정일 필요는 없다는 점을 보여준다"며 "실제 배기가스 환경에서도 작동 가능한 단순한 이산화탄소 활용 경로를 제시했다"고 설명했다.

제1저자인 Donglai Pan(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 것"이라고 밝혔다.

연구진은 해당 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 수행됐다. 연구 성과는 국제학술지 ACS Energy Letters에 게재됐다. 미국화학회(ACS)는 본 연구를 주목할 만한 성과로 선정해 공식 보도자료를 통해 소개했다.

호남취재본부 민찬기 기자 coldair@asiae.co.kr
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