정수기 원리 접목해 이산화탄소, 유용 화학원료로 전환

공장 등에서 발생한 이산화탄소가 이온교환막에서 유용한 화학물질로 전환되는 모습. 한국연구재단 제공

이산화탄소를 포집·저장하고 유용한 물질로 전환하는 기술(CCUS)은 탄소중립을 위한 핵심 기술로 주목받는다. 국내 연구팀이 정수기 원리를 접목해 전환율이 이론상 100%에 달하는 고효율 이산화탄소 전환 시스템을 개발했다.

한국연구재단은 오형석 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 책임연구원, 이웅희 선임연구원 연구팀이 역삼투압 원리 기반의 양이온 막을 개발해 이산화탄소 전환율을 크게 높이는 데 성공했다고 26일 밝혔다. 연구결과는 지난 6월 14일 국제학술지 'ACS 에너지 레터스'에 공개됐다.

재생에너지를 활용해 이산화탄소를 부가가치가 높은 화학원료로 전환하는 전기화학적 전환 기술은 에너지 소비가 적고 공정이 간단해 대규모로 적용할 수 있는 기술이다. 전기화학 공정의 핵심은 특정 이온만 투과시키는 소재인 '이온교환막'의 성능이다.

현재 음이온교환막은 내구성이 떨어져 전환율이 40% 이하에 그친다. 양이온교환막은 이론상 이산화탄소 전환율이 높지만 아직 전환 성능이 떨어져 상용화가 어려운 상황이다. 

한쪽에서 높은 압력을 가해 이산화탄소가 유용 화학원료로 전환될 수 있는 최적 환경을 조성하는 교환막 시스템. 한국연구재단 제공

연구팀은 양이온교환막에서 이산화탄소가 전환되는 쪽에 6기압 이상의 높은 압력을 가해주는 시스템을 개발했다. 압력이 높은 쪽의 이온 농도가 높아져 삼투가 반대 방향으로 일어나는 역삼투 현상은 정수기에서도 사용되는 원리다. 

연구팀이 개발한 교환막 시스템은 이산화탄소 전환 반응의 경쟁 반응인 수소 발생을 억제하고 알칼리 이온 농도를 증가시켜 전환 성능이 향상됐다. 연구팀은 "이산화탄소 전환율 50% 이상을 달성하며 기존 음이온교환막의 최대 전환율을 뛰어넘었다"고 설명했다.

오형석 책임연구원은 "양이온 막의 장점인 높은 이산화탄소 전환율을 유지하면서도 높은 전환 성능까지 달성했다"며 "이론상 전환율이 100%인 양이온교환막의 상용화 가능성을 높였다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00933 

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]