화학연, KIST와 성능 2배 이상 높인 CO₂ 전환 음이온교환막 소재 개발

화학연의 이장용 박사(오른쪽)와 양석환 박사과정이 전기화학적 CO2의 CO 전환장치 분리막용 음이온교환 소재 및 분리막을 들어보이고 있다.

국내 연구진이 세계 최고 성능·내구성을 확보한 전기화학적 이산화탄소(CO₂) 전환 음이온교환막 소재 기술을 개발했다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 이장용 박사팀이 원다혜·이웅 한국과학기술연구원(KIST) 박사팀과 함께 CO₂를 일산화탄소(CO)로 전환하는 전기화학 공정 소재 성능·내구성을 기존 소재 대비 월등히 향상시켰다고 24일 밝혔다.

CO₂를 CO로 전환하는 여러 기술이 개발되는데, 그 중 전기화학적 전환 공정은 저에너지인 데다 공정이 간단해 차세대 CO₂ 포집 및 활용(CCU) 기술로 주목받는다.

여기에 쓰이는 음이온교환막 소재는 음극의 음이온을 양극으로 잘 이동시켜야 하고, 고온 내구성이 좋아야 한다. 이들을 모두 만족시키는 어렵다.

공동연구팀은 분자량을 키우는 기술로 튼튼한 '폴리카바졸계' 고분자 소재를 만들고, 여기에 음이온이 잘 통과하는 화학적 특성을 부여했다. 성능·내구성을 모두 잡았다.

고분자 소재는 분자량이 클수록 내구성이 좋다. 연구팀은 화학연의 관련 특허 기술로 음이온교환막 소재를 튼튼하게 했다. 그 결과 기존 소재는 상온에서만 구동하는 것과 달리, 개발 소재는 60℃ 구동 조건에서도 150시간 동안 안정적으로 작동했다.

또 연구팀은 고분자 소재에 유연한 나뭇가지 형태 화학구조를 가진 '테트라메틸이미다졸륨기'를 도입, 음극 반응 결과물로 생성된 수산화음이온(OH-)이 양극으로 잘 이동할 수 있도록 했다. 소재 핵심 성능인 이온전도도를 향상시켰다.

개발 소재는 기존 해외 소재보다 2배 이상 향상된 CO 생산 성능을 기록했다. 동일 조건에서 기존 소재는 하루 최대 약 1.6㎏ CO를 생산할 수 있는 반면 개발 소재는 최대 약 3.6㎏을 생산할 수 있다.

이영국 화학연 원장은 “이번 기술 개발로 선진국과의 에너지 분야 핵심 전해질 소재 기술 격차를 줄이는 한편 기술이전 및 상용화로 차세대 CCU 혁신 기술 개발 지렛대가 되기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 'ACS 에너지 레터스' 4월호에 발표됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com