정수기 원리로 탄소 포집 효율 50% 이상 달성

KIST 연구진, 양이온교환막으로 이산화탄소 전환율 높여

한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터의 오형석 책임연구원, 이웅희 선임연구원 연구진이 역삼투압 원리를 기반으로 이산화탄소 전환율을 크게 높이는 새로운 전략을 개발했다./KIST

공기 중 이산화탄소를 포집해 자원으로 활용하는 기술(CCUS)에 정수기의 역삼투압 원리를 접목해 이산화탄소 전환율을 달성할 수 있는 전략이 나왔다.

한국연구재단은 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터의 오형석 책임연구원, 이웅희 선임연구원 연구진이 역삼투압 원리를 기반으로 이산화탄소 전환율을 크게 높이는 새로운 방법을 개발했다고 26일 밝혔다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ’미 화학회 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 지난 6월 게재됐다.

기후위기 주범 이산화탄소를 포집‧활용‧저장하는 기술인 이산화탄소 포집·활용·저장 기술(CCUS)은 탄소중립을 위한 게임체인저로 불릴 만큼 관심이 뜨겁다. CCUS에서도 이산화탄소를 유용한 화학원료로 전환하는 전기화학적 전환기술은 에너지 소비가 적고 공정이 간단해 대규모 시스템을 통한 상용화 기술로 주목받는다. 이때 전기화학 공정 핵심소재인 이온교환막 성능이 좋아야 전환율을 높일 수 있다. 이온교환막은 양이온 또는 음이온 중 하나를 통과시키는 전해질을 말한다.

하지만 음이온교환막을 사용할 경우 내구성이 떨어져 전환율이 40% 이하에 그치는 한계가 있다. 또 다른 해법으로 양이온교환막을 사용하는 방법이 나오고 있으나 역시 전환 성능이 떨어져 상용화에 어려움을 겪고 있다.

연구진은 압력을 가해 이온 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하도록 하는 역삼투압 현상을 참고했다. 이를 기반으로 이산화탄소가 전환되는 쪽에 6기압 이상의 높은 압력을 가하는 시스템을 개발했다. 결과적으로 양이온교환막을 사용하면서도 높은 이산화탄소 전환율을 달성하고, 포집한 탄소를 유지할 수 있었다.

개발한 시스템은 250㎃/㎠(면적당 전류를 나타내는 단위)의 높은 전류밀도에서도 이산화탄소 전환율 50% 이상을 달성했다. 이는 기존 음이온교환막 시스템의 최대 전환율을 뛰어넘는 값이다.

오형석 책임연구원은 “이번 연구를 통해 양이온 막의 장점인 높은 이산화탄소 전환율을 유지하면서도 전환 성능까지 높일 수 있었다”며 “양이온교환막을 활용할 경우 이론적 전환율이 100%가 될 수 있는데, 이번 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 역삼투압 기반 전략이 이 가능성을 높여준다”고 설명했다.

참고 자료

ACS Energy Letters(2024), DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00933

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