탄소중립 위한 'CCUS 기술' 걸림돌 해결하는 나노촉매 개발

한국과학기술연구원(KIST) 연구팀이 이산화탄소 포집 장치의 전해질 범람 현상을 억제할 은 촉매를 개발했다. KIST 제공

발전소나 공장에서 발생하는 이산화탄소(CO2)를 포집해 저장하거나 유용한 물질로 재활용하는 CCUS(Carbon Capture, Utilization, and Storage) 기술은 탄소중립 실현에 기여할 기술로 주목받는다. 국내 연구팀이 새로운 촉매를 개발해 전기화학적 CCUS 상용화에 걸림돌이었던 '전해질 범람' 현상을 해결했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 오형석 청정에너지연구센터 책임연구원·이웅희 선임연구원 연구팀이 황규원 KIST 반도체기술연구단 책임연구원팀, 노태근 LG화학 연구원팀과 공동연구를 통해 이산화탄소 포집 장치의 전해질 범람 현상을 억제할 은 나노촉매를 개발했다고 14일 밝혔다. 연구결과는 지난 4월 18일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.

기존 이산화탄소 전기 분해 장치는 높은 전압 조건이나 장기간 구동할 때 액체인 전해질이 과도하게 전극에 유입되는 전해질 범람(electrolyte flooding) 현상이 발생하는 것이 문제였다. 전해질 범람이 일어나면 이산화탄소가 전극의 촉매에 도달하기 어려워져 성능이 떨어진다.

은 촉매는 이산화탄소를 플라스틱 등 석유화학제품 원료인 일산화탄소(CO)로 전환하는 데 효과적이다. 연구팀은 은 나노입자 표면에 지질 유기물을 결합해 물과 쉽게 결합하지 않으면서 반응 환경을 제어할 수 있는 은 촉매를 개발했다. 은 나노촉매는 약 7나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기의 정이십면체 구조로 입자 표면에 지질 유기물이 균일하게 결합했다.

연구팀이 개발한 촉매는 상용 은 촉매와 달리 물과 친하지 않은 소수성을 띠며 전해질 범람 현상을 예방한다. KIST 제공

연구팀이 개발한 촉매는 전극 표면에 물이 과도하게 축적되는 것을 방지하며 전해질 범람을 억제했다. 컴퓨터단층촬영(CT)을 통해 높은 전압에서도 전해질 범람이 억제되고 장치 내구성이 높아진 것을 확인했다. 기존 촉매는 3.4볼트(V) 전압에서 12시간 동안 성능을 유지했지만 새로운 촉매는 50시간 이상 성능을 유지했다. 

새로운 촉매는 적은 촉매량으로도 이산화탄소 전환을 장기간 수행할 수 있어 촉매 비용을 절감하고 교체 주기를 늘려 일산화탄소 생산비용을 낮출 것으로 기대된다. 연구팀은 석유화학 공정 등 대규모 시설에 적용할 수 있도록 실증 연구를 수행할 예정이다.

오형석 책임연구원은 "이번 연구 성과는 향후 전기화학적 이산화탄소 전환 기술의 실증 및 상용화를 앞당길 것"이라고 전했다.
 

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]