폭발 위험 없는 `해수 배터리`, 충방전 효율 UP↑…에탄올 등 유용 연료 생산

화학연, 전기화학 기반 이산화탄소 전환 촉매 개발
에탄올 등 다탄소 전환 및 장시간 안정적 작동 가능

한국화학연구원은 이산화탄소를 다탄소 알코올로 합성하는 ACS Catalysis 2024년 6월호 보충 표지논문 선정

화학연이 개발한 해수 배터리 기반의 CO2 전기화학 전환 시스템 개념도. 화학연 제공

바닷물 속 이산화탄소를 이용해 해수 배터리의 효율 저하 문제를 해결하고 유용한 연료를 얻을 수 있는 새로운 촉매가 개발됐다.

한국화학연구원은 김현탁 박사팀과 권태혁·강석주·이근식 울산과학기술원(UNIST) 교수 연구팀이 해수 배터리의 침전물을 줄이면서 에탄올 등으로 전기화학 방식으로 전환할 수 있는 촉매 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

해수 배터리는 바닷물의 나트륨 이온을 전해질로 사용해 양극과 음극을 오가며 충·방전이 이뤄지는 이차전지다. 바닷물을 사용하기 때문에 자원이 풍부하고 친환경적이면서 화재·폭발 위험이 낮다. 하지만, 다른 배터리에 비해 에너지 저장 용량이 적고, 염분으로 인한 부식과 나트륨 결합을 통한 석회 침전물 등으로 충·방전 효율이 떨어지는 단점이 있다.

연구팀은 저렴한 흑연 소재에 붕소·질소 등을 동시에 첨가해 비금속 촉매를 만들어 상온·상압에서 이산화탄소의 탄소와 산소의 분해 및 결합 반응성을 높여 전환 효율이 뛰어나다는 것을 확인했다. 이를 이용해 이산화탄소를 2개 이상의 탄소가 결합한 에탄올과 프로판올 등 유용 화합물로 전환하는 데 성공했다.

이 촉매를 해수 배터리 전극에 적용한 결과, 기준 전압 대비 0.7볼트 낮은 상태에서 투입한 에너지 중 87.9%가 변환에 쓰였고, 변환된 물질 중 다탄소 알코올의 비중인 선택도는 95%에 달했다. 또한 160시간 이상 안정적으로 작동했다.

연구팀은 올해 유닛 단위 셀 제작과 운전을 시작으로 2030년까지 실증을 추진할 계획이다.

김현탁 화학연 박사는 "해수 기반 이차전지는 바닷물 속 나트륨과 이산화탄소가 결합해 의도치 않은 석회질 금속 탄산염이 생겨 안정성이 떨어지는 문제가 있었다"며 "이 촉매는 이런 문제가 보이지 않아 향후 신개념 해수 배터리 기반의 이산화탄소 전기화학 전환 시스템에 대한 효용성을 보여줬다는 데 의미가 있다"고 말했다.

이 연구결과는 화학공정 분야 국제 학술지 'ACS 촉매(지난 6월)' 표지논문으로 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr