"배기가스도 자원으로"…켄텍, CO₂포집·전환 전극 개발

[나주=뉴시스]이창우 기자 = 한국에너지공과대학교(KENTECH·켄텍)가 희석된 이산화탄소(CO₂) 환경에서도 포집과 전환을 하나의 전극에서 동시에 수행할 수 있는 전기화학 전극 시스템을 개발했다.

켄텍 에너지공학부 최원용·오명환 교수 연구진은 산업 배출가스처럼 CO₂ 농도가 낮고 산소와 질소가 섞인 조건에서도 별도의 분리 공정 없이 CO₂를 개미산(formic acid)으로 전환할 수 있는 통합형 전극 구조를 설계·제시했다고 22일 밝혔다.

기존 탄소 포집·전환 기술은 고농도 CO₂ 분리 공정을 먼저 거쳐야 해 비용과 에너지 소모가 컸다.

반면 이번 기술은 희석된 배기가스를 그대로 활용할 수 있어서 공정 단순화와 비용 절감이 가능하다는 점에서 의미가 크다.

연구진이 개발한 전극은 'CO₂를 선택적으로 흡착하는 다공성 탄소층', 'CO₂를 개미산으로 전환하는 주석 산화물(SnO₂) 촉매층', '기체 확산과 전자 이동을 담당하는 탄소 종이층' 등 3개 층으로 구성된다.

이 구조를 통해 포집과 전환 반응이 전극 내부에서 연속적으로 일어난다.

실험 결과, 해당 전극은 CO₂ 15%, 산소 8%, 질소 77%로 구성된 모사 배기가스 조건에서도 안정적으로 개미산을 생성했으며, 약 400ppm 수준의 낮은 CO₂ 농도에서도 반응이 가능한 것으로 나타났다.

개미산은 액체 형태로 저장과 운송이 쉬워 연료, 화학 원료 등으로 활용도가 높아 탄소 자원화 측면에서도 주목된다.

연구진은 분자동역학 시뮬레이션과 이론 계산을 통해 전극 내부에서 CO₂와 산소의 이동·흡착 거동도 분석했다. 이 과정에서 켄텍 에너지공학부 양재연 학생이 핵심 계산을 수행했다.

최원용 교수는 "탄소 포집과 전환이 반드시 분리된 공정일 필요는 없다는 점을 실험적으로 입증했다"며 "실제 배기가스 환경에서도 작동 가능한 단순한 탄소 활용 경로를 제시했다"고 말했다.

오명환 교수는 "기체상 CO₂가 액체 개미산으로 바뀌는 반응에 최적화된 전극 설계 원리를 제시했다"고 설명했다.

연구진은 이번 기술이 대규모 발전소는 물론 소규모 산업시설이나 분산형 배출원에도 적용 가능한 차세대 탄소 저감 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지 ACS Energy Letters에 게재됐다.

미국화학회(ACS)는 해당 연구를 주목할 만한 성과로 선정해 공식 보도자료로 소개했다.


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