지구온난화 주범 이산화탄소, 전기 공정 통해 산업 원료로 바꾼다

이장용·이웅 화학연 책임연구원팀 성과
일산화탄소 생산 성능 기존 대비 2배 ↑

한국화학연구원의 이장용 책임연구원(오른쪽)과 양석환 박사과정생. /한국화학연구원 제공

국내 연구진이 이산화탄소를 유용한 화학 연료로 바꿀 수 있는 전기화학 공정을 개발GOt다.

한국화학연구원(화학연)은 이장용 책임연구원과 이웅 책임연구원 연구팀이 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하기 위한 전기화학 공정 핵심 소재의 성능과 내구성을 기존 해외 소재 대비 월등히 향상시켰다고 24일 밝혔다. 연구팀이 개발한 소재는 향후 전기화학적 이산화탄소 전환 공정의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

일산화탄소는 알코올, 플라스틱 등 다양한 화학제품의 기초물질로서 중요한 산업원료다. 때문에 기후변화 주요 원인으로 꼽히는 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾼다면 탄소중립에 기여하면서 산업 차원에서도 비용 절감을 이끌어낼 수 있다. 특히 전기화학적 전환 공정은 방법이 비교적 간단하고 에너지 소모가 적어 차세대 이산화탄소 포집·활용(CCU) 기술로 주목받는다.

다만 전기화학적 전환 공정을 상용화하려면 음이온교환막 소재 성능을 끌어올려야만 하는 상황이다. 음이온교환막 소재는 음극의 이온을 양극으로 이동시키는 전해질인데 제작 난이도가 높은 게 문제였다. 국내에서 연구용으로 쓰이는 음이온교환막 소재는 현재 전량 해외 수입 중인데 열에 취약해 내구성이 떨어지고 이온전도가 낮아 성능도 좋지 않다.

이에 연구팀은 분자량을 늘리는 기술을 이용해 튼튼한 고분자 소재를 만들고 여기에 음이온이 잘 통과하는 화학적 특성을 부여했다. 그 결과 성능, 내구성 모두 좋은 전기화학적 이산화탄소 전환용 음이온교환막을 개발했다.

일반적으로 고분자 소재는 분자량이 클수록, 즉 사슬처럼 반복적으로 연결된 분자 덩어리가 클수록 내구성이 좋다. 이를 ‘고분자량화 기술’이라고 하는데, 연구팀은 화학연만의 특허 보유 기술을 통해 음이온교환막의 소재를 튼튼하게 만들었다. 실험결과, 기존 소재가 열적 안정성이 낮아 상온에서만 구동하는 것과 달리, 신규 개발 소재는 섭씨 60도라는 구동 조건에서 150시간 동안 안정적으로 작동할 수 있었다.

이어 연구팀은 고분자 소재에 유연한 나뭇가지 형태의 화학구조를 가진 ‘테트라메틸이미다졸륨기’를 도입했다. 덕분에 음극에서 전기 자극을 통해 수산화음이온으로 바뀐 이산화탄소가 양극으로 더욱 잘 이동하는 것을 확인했다. 새로 개발한 소재는 기존 해외 소재보다 일산화탄소 생산 성능이 2배 이상 좋았다.

이영국 화학연 원장은 “이번 기술 개발로 선진국과의 에너지 분야 핵심 전해질 소재 기술 격차를 줄일 수 있게 됐다”며 “향후 유관 기업과의 기술이전 및 상용화 추진을 통해 차세대 CCU 혁신 기술 개발의 지렛대가 되기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구 성과가 담긴 논문은 국제학술지 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)에 지난 4월 게재됐다.

참고자료

ACS Energy Letters, DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00420

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