▲ 전기화학적 CO2의 CO 전환장치 분리막용 음이온교환 소재 및 분리막(左)과 전기화학 셀(반응기)의 핵심 화학소재인 음이온교환막(右)

탄소중립 해결 방안으로 이산화탄소(CO₂)의 활용 기술이 주목받고 있는 가운데, 국내 연구진이 고성능과 내구성을 확보한 전기화학적 CO₂전환용 음이온교환막 소재 기술을 개발, CO₂ 전환 공정의 상용화를 통해 수전해, 연료전지 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 한국과학기술연구원(원장 윤석진)과 이산화탄소(CO₂)를 유용한 화학 원료인 일산화탄소(CO)로 전환하기 위한 전기화학 공정 핵심 소재의 성능과 내구성을 기존 해외 소재 대비 월등히 향상시켰다고 24일 밝혔다.

이번 소재 기술 개발은 한국화학연구원 이장용 박사 연구팀과 한국과학기술연구원 원다혜·이웅 박사 연구팀이 함께 수행했다.

연구팀이 개발한 음이온교환막 소재는 향후 전기화학적 이산화탄소 전환 공정의 상용화를 빠르게 하고 유사한 전기화학 장치인 수전해, 연료전지 등에도 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 보인다.

CO는 알코올, 플라스틱 등 다양한 화학제품의 기초물질로서 중요한 산업원료이다. 따라서 기후변화의 주요 원인인 CO₂를 유용 자원인 CO로 전환하기 위한 여러 기술이 개발되고 있다. 그 중 전기화학적 전환 공정은 에너지를 적게 소비하고 공정이 간단해 차세대 CCU(이산화탄소 포집 및 활용) 기술로 주목받아, 관련 상용화 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

▲ 전기화학적 이산화탄소 전환용 단위셀 구성과 공정 모식도 및 전극 반응

전기화학적 CO₂ 전환 공정의 상용화를 위해서는 △음극 △양극 △음이온교환막 소재의 성능이 모두 좋아야 하지만, 음이온교환막 소재는 기술적 난이도가 높아 공정의 상용화에 걸림돌이 되어왔다.

음이온교환막은 음극의 음이온을 양극으로 잘 이동시키는 성능이 좋아야 하고 공정에 적용 시, 고온에서 안정적으로 오래 버틸 수 있는 내구성이 좋아야 한다. 현재 연구용으로 쓰이는 음이온교환막은 전량 해외 수입에 의존하는데 내구성과 성능도 좋지 않다. 그럼에도 소재 개발의 기술적 난이도가 높아 개발되지 못했다.

이에 공동연구팀은 화학연만의 특허 보유 기술인 분자량을 키우는 고분자량화 기술을 적용해 튼튼한 ‘폴리카바졸계’ 고분자 소재를 만들고 여기에 음이온이 잘 통과하는 화학적 특성을 부여해, 성능과 내구성이 모두 좋은 전기화학적 이산화탄소 전환용 음이온교환막을 국내 최초로 개발했다.

실험결과, 개발 소재는 60℃의 구동 조건에서도 150시간 동안 안정적으로 작동할 수 있었다.또한 연구팀은 고분자 소재에 테트라메틸이미다졸륨기를 도입, 음극 반응 결과물로 생성된 수산화음이온(OH-)이 양극으로 잘 이동할 수 있도록 해 이온전도도를 향상시켰다.

개발 소재는 기존 해외 소재보다 2배 이상 향상된 CO 생산 성능을 기록했다. 1KW 스택, 1일 동일조건에서 기존 소재는 하루 최대 약 1.6kg의 CO를 생산할 수 있는 반면, 개발 소재는 약 3.6kg의 CO를 최종 생산할 수 있다.

화학연 이영국 원장은 “이번 기술 개발로 선진국과의 에너지 분야 핵심 전해질 소재 기술 격차를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 향후 유관 기업과의 기술이전 및 상용화 추진을 통해 차세대 CCU 혁신 기술 개발의 지렛대가 되기를 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ (IF: 22.0) 2023년 4월호에 발표됐으며, 본 연구는 한국화학연구원과 과학기술정보통신부 ‘유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업’의 지원을 통해 수행됐다.