“전력소모↓생산량 3배↑” 이산화탄소→포름산전환…UNIST, 전기화학 시스템 개발

이번 연구를 수행한 UNIST 연구진. 조승호(왼쪽부터) 교수, 권영국 교수, 이재성 교수, 김효석 연구원, 장원식 박사, 이진호 박사, 이호정 연구원.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 지구온난화 주범인 이산화탄소를 고부가가치 화학물질인 포름산으로 전환하는 생산 시스템이 나왔다. 기존보다 전력 소모를 1/4 수준으로 줄이고, 생산량은 세 배 가까이 늘어난 시스템이다.

UNIST(울산과학기술원) 신소재공학과 조승호 교수와 에너지화학공학과 권영국·이재성 교수팀은 이산화탄소를 포름산으로 바꾸는 초저전압 전기화학시스템을 개발했다고 12일 밝혔다.

이산화탄소에 전기를 가해 포름산으로 바꾸면 온실가스를 줄이면서 고부가가치 물질을 생산하는 1석 2조의 효과를 거둘 수 있다. 하지만 이 과정에서 막대한 전력이 낭비되는 문제가 있다. 짝반응인 ‘산소 발생 반응’의 비효율성 때문이다. 이산화탄소로 포름산을 만드는 반응시스템에서는 짝반응을 통해 산소가 나오는데, 이 산소 생산에 전체 전력의 70~90%가 쓰이고 시스템 구동 전압이 2 V(볼트)까지 올라가게 된다.

연구팀은 문제의 산소 발생 짝반응을 포름알데히드 산화(FOR) 짝반응으로 대체한 시스템을 개발했다. 이 시스템은 0.5 V의 낮은 전압에서도 양쪽 전극에서 높은 효율(음극 96.1%, 양극 82.1%)로 포름산을 생산할 수 있다. 시스템 구동 전압이 1/4 수준으로 낮아지면 전력 소모도 그만큼 줄어든다.

또 포름산 총생산 속도는 0.39 mmol/cm²·h를 기록했다. 이는 기존 시스템보다 3배 가까이 많은 양이다. 포름알데히드 산화 반응을 짝반응으로 쓰면 짝반응 전극에서도 산소가 아닌 포름산이 만들어지기 때문이다.

이산화탄소를 포름산으로 바꾸는 시스템 비교(상단)과 개발된 촉매의 구조(하단).[UNIST 제공]

연구팀은 포름알데히드 산화 반응에 꼭 필요한 구리·은 복합 촉매를 새롭게 개발한 덕분에 이 같은 시스템을 만들 수 있었다. 포름알데히드 산화 반응에 쓰던 기존 촉매의 경우 활성이 급격히 떨어진다.

새 촉매를 이용한 포름알데히드 산화 반응은 암모니아, 과산화수소, 수소를 전기 없이 만드는 친환경 자가구동 시스템 개발에도 쓸 수 있다. 실제로 연구진은 이 포름알데히드 산화 반응을 질산염 환원 반응, 산소 환원 반응, 수소 발생 반응과 각각 결합해 암모니아, 과산화수소, 수소를 전기와 오염물질 배출 없이 생산해냈다.

조승호 교수는 “이산화탄소 전환 기술의 가장 큰 비효율을 없애고, 한정된 전기에너지를 최대한 활용할 수 있는 기술”이라며 “이산화탄소 전환 외에도 다양한 친환경 화학 공정 기술에 쓸 수 있는 만큼 환경 문제와 자원 순환 문제 해결에 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)’에 10월 1일 자로 온라인 공개됐다.