“해외 소재보다 성능 2배↑” 골칫거리 이산화탄소 화학원료로 바꾼다

- 한국화학연구원, 세계 최고 성능 CO2 전환 음이온교환막 소재 기술 개발

이산화탄소의 일산화탄소 전환장치 분리막용 고성능 음이온교환소재와 이를 이용해 제조한 고품위 분리막.[한국화학연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 탄소중립 및 기후변화의 해결 방법 중 하나로 이산화탄소의 활용 기술이 주목받고 있는 가운데, 국내 연구진이 세계 최고 성능과 내구성을 확보한 전기화학적 이산화탄소 전환용 음이온교환막 소재 기술을 개발했다.

한국화학연구원 이장용 박사 연구팀과 한국과학기술연구원(KIST) 원다혜·이웅 박사 연구팀은 이산화탄소(CO2)를 유용한 화학 원료인 일산화탄소(CO)로 전환하기 위한 전기화학 공정 핵심 소재의 성능과 내구성을 기존 해외 소재 대비 월등히 향상시켰다.

연구팀이 개발한 음이온교환막 소재는 향후 전기화학적 이산화탄소 전환 공정의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 또한 유사한 전기화학 장치인 수전해, 연료전지 등에도 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

일산화탄소는 알코올, 플라스틱 등 다양한 화학제품의 기초물질로서, 중요한 산업원료이다. 따라서 기후변화의 주요 원인으로 손꼽히는 이산화탄소를 유용한 자원인 일산화탄소로 전환하기 위한 여러 기술이 개발되고 있다.

이산화탄소가 일산화탄소로 전환되는 전기화학 셀(반응기)의 핵심 화학소재인 음이온교환막.[한국화학연구원 제공]

그 중 전기화학적 전환 공정은 에너지를 적게 소비하고 공정이 간단하여 차세대 이산화탄소 포집 활용기술(CCU)로 주목받아, 관련 상용화 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

전기화학적 이산화탄소 전환 공정의 상용화를 위해서는 공정을 이루고 있는 ‘음극 소재’, ‘양극 소재’, ‘음이온교환막 소재’의 성능이 모두 좋아야 하지만, 그중 음이온교환막 소재는 기술적 난이도가 높아 연구개발이 더디게 이루어져 공정의 상용화에 걸림돌이 되어왔다.

현재 연구용으로 쓰이는 음이온교환막은 전량 해외 수입에 의존하는데, 열에 취약하여 내구성이 떨어지고, 이온전도가 낮아 성능도 좋지 않다. 그럼에도 불구하고 소재 개발의 기술적 난이도가 높아 이를 뛰어넘는 소재가 개발되지 못했다.

공동연구팀은 분자량을 키우는 기술을 적용해 튼튼한 ‘폴리카바졸계’ 고분자 소재를 만들고, 여기에 음이온이 잘 통과하는 화학적 특성을 부여해, 성능과 내구성이 모두 좋은 전기화학적 이산화탄소 전환용 음이온교환막을 국내 최초로 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 60℃의 구동 조건에서도 150시간 동안 안정적으로 작동할 수 있었다.

이장용(오른쪽) 한국화학연구원 박사와 양석환 한국화학연구원 박사과정.[한국화학연구원 제공]

또한 연구팀은 고분자 소재에 유연한 나뭇가지 형태의 화학구조를 가진 ‘테트라메틸이미다졸륨기’를 도입해, 음극에서 반응 결과물로 생성된 수산화음이온(OH-)이 양극으로 잘 이동할 수 있도록 했다. 이를 통해 소재의 핵심 성능인 이온전도도를 향상시켰다.

개발 소재는 기존 해외 소재보다 2배 이상 향상된 일산화탄소 생산 성능을 기록했다. 같은 조건에서 기존 소재를 적용하면 하루에 최대 약 1.6kg의 일산화탄소를 생산할 수 있는 반면에, 화학연 개발 소재를 공정에 적용하면 하루에 최대 약 3.6kg의 일산화탄소를 최종 생산할 수 있다.

이영국 한국화학연구원 원장은 “이번 기술 개발로 선진국과의 에너지 분야 핵심 전해질 소재 기술 격차를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 향후 유관 기업과의 기술이전 및 상용화 추진을 통해 차세대 CCU 혁신 기술 개발의 지렛대가 되기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 2023년 4월호에 발표됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com