[쿠키과학] 바다 속 이산화탄소를 연료로 바꾸는 기술

화학연-UNIST 공동연구, 세계 최고 바다 이산화탄소 전기분해 촉매 개발
이산화탄소를 다탄소 알코올로 전환, 신개념 이산화탄소 전환시스템 검증

지난 6월 국제학술지인 ‘에이씨에스 캐탈리시스, ACS Catalysis(IF:12.9)'에 표지그림으로 등재된 한국화학연구원-UNIST 공동연구논문 '흑연과 비금속원소 기반 촉매를 사용한 CO2에서 C2화합물 알코올로 선택적 전기환원'. 한국화학연구원

세계 해수배터리 시장은 지난해 1600만 달러에서 2032년 20억 달러 규모로 연평균 32% 이상 급성장할 것으로 전망된다.

해수배터리는 전해질로 사용하는 바닷물의 나트륨 이온이 리튬배터리의 리튬이온처럼 양극과 음극을 오가며 충전 및 방전이 일어난다. 이는 바닷물을 전해질로 사용하는 만큼 자원이 풍부하고 친환경적이며 화재와 폭발 위험도 낮은 장점을 갖는다.

반면 상대적으로 에너지 저장용량이 적고 염분으로 인한 부식과 바닷물에 함유된 이산화탄소가 나트륨과 결합한 석회침전물이 전극에 붙어 충방전 효율이 저하되는 단점이 있다.

바다 속 이산화탄소를 연료로 바꾼다

한국화학연구원(이하 화학연) 김현탁 박사팀이 UNIST와 공동연구로 바닷 속 이산화탄소를 전기분해해 해수배터리의 단점인 이산화탄소-나트륨 침전물을 줄이는 동시에 에탄올·프로판올과 같은 연료로 전환할 수 있는 세계 최고성능 촉매를 개발했다.

공동연구팀은 자체 개발한 저비용 비금속 촉매를 사용, 이산화탄소를 다탄소 알코올로 합성하는 전기화학 방식의 전환기술을 발표했다.

이번 연구결과는 현재 유닛단위 셀 제작을 시작으로 2030년 경에는 대용량 스택 단위 셀 안정화 등 실증을 검토한 후 국내 산업계의 재생에너지 연계 이산화탄소 전환시스템시장 선점에 기여할 전망이다.

(왼쪽부터)한국화학연구원 김현탁 박사, UNIST 권태혁 교수, 강석주 교수, 이근식 교수, 박재현 박사, 문진홍 석박사통합과정.

다탄소 알코올 전환 성공

바닷물은 이산화탄소를 저절로 흡수하는 성질이 있다.

이 과정에서 발생한 수소이온이 해양 산성화를 일으켜 플랑크톤에서 물고기에 이르기까지 악영향을 주며 생태·경제적 피해가 발생한다.

그동안 이산화탄소의 전기화학적 전환방식에는 일산화탄소 또는 식품·의약품에 사용되는 포름산처럼 탄소 1개의 화합물로 전환하는 연구가 활발히 진행됐다.

때문에 이를 2개 이상의 탄소가 결합된 다탄소 에탄올, 프로판올 등 연료 화합물로 전환하는 연구는 이중탄소 결합에 대한 높은 에너지 장벽으로 성공하기 어려웠다.

이 경우 반응성이 뛰어난 금속촉매인 구리를 이용해 전환하는 기술은 있지만, 경제성과 안정성이 부족해 저렴한 비금속 촉매로 유용한 연료를 전화하는 기술이 요구되고 있다.

공동연구팀은 저렴한 카본계 소재에 붕소, 질소 등 이종원소를 동시에 첨가한 비금속 촉매를 제작해 경제성 문제를 해결하고 높은 선택도의 다탄소(C2+) 알코올 변환 성과를 거둘 수 있었다.

이는 비금속계 촉매로 전기화학기반 고선택성 이산화탄소 전환 다탄소 알코올을 만든 세계 최초 기술이다.

공동연구팀이 개발한 촉매가 이산화탄소 분해, 다탄소 연료 전환을 돕는 모식도. 한국화학연구원

신개념 이산화탄소 전환시스템 검증

이를 바탕으로 공동연구팀은 해수배터리의 전극에 새로 개발한 촉매를 적용한 신개념 이산화탄소 전환시스템 효과도 검증했다.

이번에 개발한 촉매는 카본 소재에 루이스산(붕소)과 루이스 염기(질소)가 동시에 함유된 ‘좌절된 루이스 산-염기쌍(FLP)’ 구조로 만든 ‘붕소질소(BN)-GFLP’ 물질이다. 

이 촉매는 상온·상압에서 이산화탄소 중 탄소와 산소의 분해결합 반응성을 동시에 높여 전환 효율이 뛰어난 장점이 있다.

FLP는  전자를 끌어당기는 루이스 산과 전자를 내보내려는 루이스 염기의 위치가 애매해 반응이 일어나지 않는 혼란스런 상태로서, 화학반응에서 특정 환경조성 및 다양한 화합물 합성에 도움을 준다.

이렇게 분해·결합된 탄소는 메탄올, 에탄올, 프로판올과 수소, 일산화탄소로 바뀐다. 

이를 해수배터리에 적용한 결과 가역수소전극전압 대비 0.7V 낮은 상태에서 투입 에너지 중 87.9%가 변환에 쓰였다. 변환된 물질 중 에탄올, 프로판올의 비중인 선택도는 95%였고, 160시간 이상 안정적으로 작동했다.

이와 함께 그동안 해수 기반 이차전지가 바닷물 속 나트륨과 이산화탄소가 결합해 의도치 않은 석회질 금속탄산염이 셍성돼 안정성이 떨어지는 문제도 없어 향후 신개념 해수배터리 기반의 이산화탄소 전기화학 전환시스템에 대한 효용성도 입증했다.

해수배터리 기반 이산화탄소 전기화학 전환 시스템. 한국화학연구원

공동연구팀은 올해 유닛셀 제작 및 운전을 시작으로 2030년 스택셀 안정화를 통한 실증 가능성을 찾을 계획이다.

이영국 화학연 원장은 “이번 연구성과는 글로벌 대기업이 독점한 관련 기술시장에서 온실가스 유래 바이오원료 제조기술로 패러다임을 전환, 신규 시장 선점에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com
이재형 기자 jh@kukinews.com