이산화탄소 제거와 수소·전기 생산을 동시에.. 유니스트, 시스템 개발

‘멤브레인 프리 수계 금속-이산화탄소 시스템’을 개발한 유니스트 연구팀. 왼쪽부터 김건태 교수, 김정원·주상욱 연구원. 유니스트 제공 

온실가스인 이산화탄소를 없애면서 동시에 수소와 전기를 더 쉽고 빠르게 생산하는 새로운 기술이 개발됐다.

유니스트(UNIST·울산과학기술원)은 에너지화학공학부 김건태(48) 교수팀이 ‘멤브레인(membrane·분리막) 프리(free) 수계 금속-이산화탄소 배터리’를 개발했다고 20일 밝혔다.

김 교수팀은 앞선 연구에서 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’을 세계 최초로 개발하기도 했다.

이 시스템은 이산화탄소가 녹아 산성화된 물에서 자발적으로 발생하는 화학 반응으로 이산화탄소를 수소와 전기로 바꾸는 것이다.

이번에 개발한 배터리는 기존 수계 금속-이산화탄소 시스템과 달리 전극 분리막이 없어 제조 공정이 간단하다. 음극(마그네슘 금속)과 수계 전해질, 양극(촉매)만 필요하다는 점에서 수소차 연료 전지와 유사한 구조이지만, 촉매가 물 속(수계 전해질)에 있으며, 음극과 도선으로 연결돼 있다는 점에서 다르다.

물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작돼 이산화탄소는 사라지고, 전기와 수소가 만들어진다.

이 배터리는 수소 발생 효율이 92%로 높고, 발생 속도가 매우 빠르다. 충전 반응에서 생성되는 산소와 염소도 유용하게 쓸 수 있는 장점이 있다.

이산화탄소를 제거하는 동시에 유용한 자원을 생산하는 ‘이산화탄소 활용 및 저장 기술(Carbon Capture, Utilization and Storage·CCUS)’은 버려지는 이산화탄소를 화학적으로 전환해 메탄올이나 유기 화합물, 플라스틱 등 고부가가치 생성물이나 전기 에너지를 만들어내는 것이다.

그러나 이산화탄소를 전기 에너지 생산에 활용하는 ‘금속-이산화탄소 전지’ 기술은 에너지를 생산하면서 고체 형태의 탄산염이 전극에 쌓여 방전 용량이 점점 줄어들고, 안정성이 떨어진다는 한계점이 있었다.

수계-금속 이산화탄소 시스템은 반응 생성물이 기체와 이온 형태로 존재해 지속해서 구동 가능한 효율적인 기술이라고 연구팀은 설명했다.

김 교수는 “제조 과정은 단순화하면서도 이산화탄소 활용도를 더 높인 ‘멤브레인 프리’ 기술로 수계 금속-이산화탄소 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라며 “이번 연구는 더 많은 파생 연구로 이어질 것”이라고 말했다.

연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 4일 자로 온라인 공개돼 출판을 앞두고 있다. 연구수행은 한국동서발전, 과학기술정보통신부-한국연구재단 등의 지원으로 이뤄졌다.

울산=이보람 기자 boram@segye.com