▲ 압력 및 역삼투현상을 통해 향상된 전기화학적 CO2 환원

국내 연구진이 공기 중 이산화탄소를 포집해 자원으로 활용하는 기술(CCUS)에 정수기의 역삼투압 원리를 접목, 이론상 100%의 이산화탄소 전환율을 달성할 기술을 개발해 CCUS의 상용화가 앞당겨 질 것으로 기대된다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 오형석 책임연구원, 이웅희 선임연구원 연구팀이 역삼투압 원리를 기반으로 양이온 막을 이용해 전기화학적 CO2전환 기술의 전환율을 크게 높이는 새로운 전략을 개발했다고 26일 밝혔다.

기후위기 주범 이산화탄소를 포집·활용·저장하는 기술인 CCUS는 탄소중립을 위한 게임체인저로 불릴 만큼 관심이 뜨겁다. CCUS에서도 이산화탄소를 유용한 화학원료로 전환하는 전기화학적 전환기술은 에너지 소비가 적고 공정이 간단해 대규모 시스템을 통한 상용화 기술로 주목받고 있다.

이때 전기화학 공정 핵심소재인 이온교환막 성능이 좋아야 전환율을 높일 수 있다. 이온교환막은 양이온 또는 음이온 중 한쪽만을 통과시키는 전해질(합성수지막)이다.

전환기술 성능이 향상되고 있으나 음이온교환막을 사용할 경우 내구성이 떨어져 전환율이 40% 이하에 그치는 한계가 있다. 또 다른 해법으로 양이온교환막 사용이 제안되지만 산화 반응을 촉진하는 특성에 따라 역시 전환 성능이 떨어져 상용화에 어려움을 겪고 있다.

이번 연구에서는 양이온교환막을 사용하면서도 높은 CO2전환율을 달성하고, 포집한 탄소의 성능을 유지하는 전략을 제시했다.

연구팀은 압력이 가해지는 곳에 높은 이온 농도가 만들어지는 역삼투압 현상을 착안, 이산화탄소가 전환되는 쪽에 6기압 이상의 높은 압력을 가해줄 수 있는 시스템을 개발했다.

이 시스템은 CO₂환원 반응의 경쟁 반응인 수소발생 반응을 억제하는 동시에 알칼리 이온 농도를 증가시켜 CO₂환원 반응의 성능과 선택도를 증가시킬 수 있었다.

이를 통해 250mA/cm2의 높은 전류밀도에서도 이산화탄소 전환율 50% 이상을 달성했다. 이는 기존 음이온교환막 시스템의 최대 전환율을 뛰어넘는 수치다.

오형석 책임연구원은 “본 연구를 통해 양이온 막의 장점인 높은 이산화탄소 전환율을 유지하면서도 전환 성능까지 달성했다”며 “양이온교환막을 활용할 경우 이론적 전환율이 100%가 될 수 있는데 이번 전기화학적 CO2전환 시스템의 역삼투압 기반 전략은 상용화 가능성을 높여준다”고 설명했다.

한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업, 탄소자원화 플랫폼 화합물 제조기술개발의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지‘에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 6월 14일 게재됐다.