포집해 산업현장에서 주요한 원료로 사용되는 일산화탄소(CO)로 전환 

공장 배기가스 수준의 저농도 이산화탄소로도 높은 효율로 전환 가능

KIST 원다혜 선임연구원, KIST 이웅 선임연구원, 서울대 황윤정 교수,고려대 김동진 학생연구원

지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 전기화학적으로 유용한 화합물로 전환하는 기술이 최근 크게 각광 받고 있다. 전기에너지원으로 태양광, 풍력 발전과 같은 신재생 에너지를 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 최근 반응 시스템인 전해조(electrolyzer)의 발전으로 유용화합물의 생산 속도까지 비약적으로 향상되어 상용화에 빠르게 접근하고 있다. 그러나 본 기술이 실제 산업계에 적용되기에 한 가지 큰 걸림돌이 존재하는데, 바로 고순도의 이산화탄소 가스를 반응 원료로 공급해야 한다는 것이다.

공장 배기가스의 저농도 이산화탄소(CO2)를 포집해 산업현장에서 주요한 원료로 사용되는 일산화탄소(CO)를 만들 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST)은 청정에너지연구센터 원다혜·이웅 박사팀과 서울대학교 황윤정 교수 연구팀이 공장 배기가스 수준의 저농도 이산화탄소를 반응물로 사용해 높은 반응효율로 일산화탄소를 생산할 수 있도록 하는 촉매 및 공정 기술을 개발했다고 밝혔다.

이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 기술은 탄소를 줄이는 핵심기술의 하나로 활발히 연구되고 있다. 하지만, 이 기술은 고순도의 이산화탄소 가스를 반응 원료로 공급해야 한다는 걸림돌이 존재했다. 이산화탄소는 화학적으로 굉장히 안정적인 물질이어서 다른 물질로의 전환이 어려워 고순도의 이산화탄소를 공급해 반응 속도와 효율을 높여야 하기 때문이다. 실제 산업현장에서 나오는 배기가스는 질소, 산소, 질소산화물 등과 함께 이산화탄소가 10%가량 포함되어 있는데, 지금까지는 이러한 저농도의 배기가스로는 충분한 효율을 확보할 수 없었다.

이산화탄소를 전기화학적 방법으로 일산화탄소로 전환하는 과정에서 일산화탄소 생성효율이 높은 은(Ag) 촉매가 주로 사용되고 있다. 상용화된 은 촉매를 사용해 고순도(99.99%) 이산화탄소를 전환하면 생성물의 95%가 일산화탄소로 생성되는데, 저농도(10%) 이산화탄소를 사용한 경우에는 40%의 일산화탄소와 60%의 수소가 발생한다.

KIST 연구진은 수소 발생을 줄여 일산화탄소 발생효율을 높일 수 있도록 니켈 단원자 촉매를 개발했다. 그동안 철, 니켈 등 일반 금속은 귀금속보다는 반응성이 좋지 않아 이산화탄소 전환 촉매로 만들 수 없었는데, 단일 원자 형태로 만들면 효율이 높아진다는 최근 연구결과에 착안해 연구팀은 새로운 촉매를 개발했다. 또한, 이산화탄소를 물에 녹인 후 반응시키던 기존 방식과는 다르게 기체 상태 그대로 전환 반응을 일으킬 수 있도록 최적의 구동 기술까지 개발했다.

이산화탄소 농도에 따른 니켈 단원자 촉매와 상용 은 촉매의 성능 비교

개발된 니켈 단원자 촉매는 배기가스 수준의 저농도(10%) 이산화탄소로도 결과물의 93%를 일산화탄소로 생성할 수 있었는데, 귀금속이 아닌 니켈 및 탄소 등 저가 재료로 촉매를 제작해 경제성도 확보할 수 있게 되었다.

KIST 원다혜 박사는 “이번에 개발한 촉매 및 구동 기술은 저농도 이산화탄소를 활용하는 다양한 전기화학적 전환 시스템에 응용될 수 있다.”라며 “전기화학적 이산화탄소 전환 기술의 경제성을 확보하기 위해 배기가스를 별도의 정제과정 없이 직접 활용하기 위한 다양한 기술도 함께 개발 중이다.”라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원을 받아 KIST 주요사업 및 유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업(단장 정광덕)을 통해 수행되었으며 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ (IF:23.101, JCR 분야 상위 3.302%) 최신 호에 게재되었다.

논문명은 Electrocatalytic Reduction of Low Concentrations of CO2 Gas in a Membrane Electrode Assembly Electrolyzer이며 제 1저자는 한국과학기술연구원/고려대학교 김동진 학생연구원, 교신저자는 한국과학기술연구원 이웅 선임연구원, 서울대학교 황윤정 교수, 국과학기술연구원 원다혜 선임연구원 등이다.

□연구결과 문답

- 연구를 시작한 계기나 배경은?

이산화탄소를 전기화학적으로 유용한 화합물로 전환하는 기술의 상용화를 위해서는 기술 경제성에 대한 고려가 필요하다. 특히 대부분의 연구에서 고순도 이산화탄소를 사용하는데 이산화탄소 비율이 낮은(10%) 배가스로 부터 고순도의 이산화탄소 가스를 포집, 운반하는데 높은 비용이 발생한다. 그리고 비용 문제 외에도 고순도 이산화탄소 사용에는 낮은 탄소 전환 효율, 시스템 안정성 저하, 생성물과의 분리 공정 필요 등 다양한 시스템적 문제가 있어 저농도 이산화탄소 가스 활용으로 이를 해결할 수 있다고 판단했다. 또한 이산화탄소 전환의 최신 반응기 시스템인 막-전극접합체(MEA) 반응기에서 저농도 이산화탄소를 활용한 연구가 거의 없었다. MEA는 기존 시스템보다 생성물 생성 속도가 빠르고 구조 특성상 대규모화에 유리해 가장 상용화에 유망한 시스템이므로 본 연구를 수행하게 되었다.

-이번 성과, 무엇이 다른가

기존 연구들은 저농도 이산화탄소 활용을 위해 주로 이산화탄소와 촉매와의 바인딩 (친밀도)를 높이는 방향으로 연구가 진행되었다. 이산화탄소 농도가 낮으니 그만큼 이산화탄소를 더 잘 끌어당겨 반응이 활발히 일어날 수 있도록 한 것이다. 이번 성과에서는 기존 연구들에서 밝히지 못한 저농도 이산화탄소 조건에서 성능이 감소하는 원인을 우선 파악하고 높은 효율 달성을 위해서는 경쟁반응인 수소 생성 반응 억제가 핵심이라는 것을 새롭게 밝힐 수 있었다. 저농도 이산화탄소를 공급할 경우 이산화탄소와 만나지 못한 촉매의 경우 주변에 풍부하게 존재하는 물을 수소로 바꾸는 반응을 하게 된다. 본 연구에서 개발한 니켈 단원자 촉매는 이산화탄소 전환 성능에 반해 수소생성 반응 능력이 매우 떨어져 이산화탄소가 부족한 저농도 환경에서도 이산화탄소만 골라서 일산화탄소로 전환하는 반응만 한다는 것을 확인하였다. 이는 기존 연구들이 낮은 농도의 이산화탄소를 잘 활용하고자 한 전략과는 반대로 수소 생성반응을 극도로 억제하면 오히려 이산화탄소를 잘 활용하게 된다는 것을 새롭게 밝힌 것이다. 이 가설을 증명하기 위해 전산 유체 역학 계산을 토대로 반응기의 구동 조건을 조절하여 촉매 주변의 물(수소이온) 양을 조절하였을 때, 저농도에서 낮은 이산화탄소 환원 효율을 보였던 은 촉매의 일산화탄소 생성 선택도가 향상되는 것을 확인하며 저농도 이산화탄소 활용에 수소 생성 반응 억제가 핵심이라는 우리의 주장이 옳다는는 것을 실험/이론계산 모두를 통해 증명했다.

- 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나

기술 경제적 측면에서 고순도 이산화탄소의 확보(이산화탄소 포집, 운송)가 전기화학적 이산화탄소 전환 비용의 30%를 차지한다. 저농도의 이산화탄소 가스를 사용해도 높은 이산화탄소 전환 성능을 유지할 수 있다면, 우려되었던 가격 부담이 크게 절감된다. 이를 통해 대기로 재방출되는 이산화탄소의 양을 획기적으로 줄여 탄소중립에 크게 기여할 수 있다.

-기대효과와 실용화를 위한 과제는

배가스의 직접 사용에 가장 큰 걸림돌이 되는 저농도 이산화탄소 사용에 의한 효율 감소 문제는 본 연구를 통해 크게 개선되었다고 생각한다. 앞으로는 배가스에 포함되어있는 다른 불순물인 산소, SOx, NOx 등에 의한 피독 문제와 부반응 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발할 예정이다. 또한 실제 산업에 활용하기 위해 실험실의 작은 규모를 넘어 대면적/대규모화 연구가 계속되어야 한다고 생각한다.

□용어설명

1. 배가스(flue gas)

공장, 선박 등에서 연료를 사용한 후에 연도를 통해 연소 가스가 배출되는데, 이를 배가스라 한다. 성분은 공정에 따라 조금씩 다르지만 주된 성분은 질소(50-70%) 이산화탄소(10%-25%)이며 약간의 산소(<5%)와 오염물질인 SOx, NOx 등이 포함되어 있다.

2. 막-전극접합체 전해조(Membrane Electrode Assembly electrolyzer, MEA)

수전해, 연료전지 등에 주로 사용되는 반응기의 한 종류로 음극, 전해질막(membrane), 양극이 순차적으로 접합된 구조로 이뤄져 막-전극 접합체 전해조로 불린다 (그림 참고). 이산화탄소 전환 반응에는 비교적 최근 적용이 되었으며 기존의 이산화탄소 전환 반응기와는 다르게 반응물인 이산화탄소를 촉매 층에 기체 상태로 직접 공급이 가능해 기존 시스템들과 비교해 생성물 생성 속도가 빠르다. 구조의 특성상 대규모화와 여러 겹을 쌓는 스택화가 가능해 상용화에 가장 적합한 반응 시스템으로 손꼽힌다.

3. 촉매

화학 반응 속도를 빠르게 만드는 물질

4. 전산 유체 역학 계산 (Computational Fluid dynamic calculation)

유체의 움직임을 수학적으로 표현하는 방정식을 사용하여 유체 흐름의 경향을 묘사하는 방법이다.

5. 경쟁 반응

원하는 반응과 동시에 발생할 수 있는 반응으로 경쟁 반응이 많이 일어나게 되면 원하는 생성물의 수율이 낮을 뿐만 아니라 원하는 것을 얻기 위하여 정제를 해야 한다. 이산화탄소 환원 반응을 통해 유용한 일산화탄소가 생성되는 반응에는 물에서 공급되는 수소 이온이 사용된다. 수소 이온이 이산화탄소와 반응하지 않고 수소 이온끼리 반응하면 수소 기체가 생성되며 결국 이산화탄소 환원 반응 속도는 낮아진다. 이 경우 이산화탄소 환원 반응의 경쟁 반응을 수소 생성 반응으로 명명한다.

KIST 홍보실 제공