[표지로 읽는 과학]전기 '껐다켰다' 고온 얻고 화학반응 효율 높였다

네이처 제공

고온은 물질의 반응속도를 높여주기 때문에 다양한 화학물질 합성에 필수적인 조건이다. 하지만 고온 조건을 만들기 위해 엄청난 양의 화석연료나 석탄을 태워야 한다는 점은 항상 걸림돌로 작용한다.

국제학술지 ‘네이처’는 이달 19일 표지논문으로 고온 조건을 형성하는 방법의 패러다임 전환을 일으킬만한 연구결과를 소개했다. 고온을 만들기 위해 온도를 지속해서 공급하지 않고 전류를 1초마다 흘렸다 끊었다 하는 방법으로 고온에 도달하면서도 에너지 효율을 극대화하는 방법을 제시했다.

미국 메릴랜드대와  펜실베이니아주립대, 델라웨어대, 프린스턴대, 존스홉킨스대 연구팀은 전류를 일정 주기를 두고 흘리는 펄스 가열 냉각 방식을 통해 적은 에너지로 최대 약 2126도에 도달했다고 공개했다. 연구팀은 이를 통해 메탄을 메탄올이나 에틸렌으로 전환하거나, 암모니아를 합성할 수 있다고 밝혔다.

연구팀은 프로그래밍 가능한 전류를 활용해 0.02초 동안 가열했다가 다음 1.08초 동안은 가열을 멈추기를 반복했다. 이를 통해 최대 절대온도 2400도(2126.85도)의 고온과 저온을 빠르게 오갔다. 연구팀은 이 같은 조건에서 메탄을 열분해해 고순도의 탄소분자를 추출하는 데 성공했다고 밝혔다. 또 암모니아도 높은 수율을 보이며 안정적으로 합성됐다.

연구팀은 고온 도달 시 가열과 비가열을 반복함으로써 평균온도가 낮아졌으며, 이를 통해 에너지 비용이 절감되고 촉매의 안정성도 높아졌다고 밝혔다.

류동샤 미국 메릴랜드대 화학및생체분자공학부 교수는 “이 가열 방식은 탄화수소에서 탈수소화 반응을 일으키거나 이산화탄소를 감소시키는 화학반응에도 적용할 수 있다”며 “현재의 화학 공법을 에너지 효율적이고 친환경적으로 바꿀 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

[서동준 기자 bios@donga.com]