[한국기술뉴스] 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 탄소전환연구실 박기태 박사 연구진은 이산화탄소를 플라스틱, 섬유 및 화학제품의 원료로 사용되는 에틸렌, 합성가스, 일산화탄소, 개미산과 같은 유용한 화합물로 전환하는 기술의 생산성을 2배 이상 향상시킬 수 있는 신개념 전기화학적 이산화탄소 전환 기술을 개발했다.

전기화학적 이산화탄소 전환 기술은 물과 전기에너지를 이용해 온실가스인 이산화탄소를 화학원료 및 연료로 바꾸는 친환경 기술이다. 온실가스도 줄이고 유용한 제품도 생산할 수 있어서 탄소중립 사회를 만들기 위한 핵심기술로 최근 큰 관심을 받고 있다.

그동안의 전기화학적 이산화탄소 전환 기술연구에서는 이산화탄소 전환 반응에 필요한 에너지를 줄이기 위해 전해액을 사용해왔다. 이산화탄소가 전해액에 녹아있으면 기체상태일 때보다 훨씬 적은 에너지로도 유용한 물질을 생산할 수 있기 때문이다.

매우 안정된 분자구조를 가진 이산화탄소는 기체상태에서 반응을 유도해 유용한 물질로 만들기엔 많은 에너지가 필요하다. 그래서 많은 연구에서 이산화탄소를 액체에 녹여서 반응을 시키는데 이렇게 하면 기체상태의 반응에 비해 필요한 에너지가 굉장히 적어진다. 하지만 이 방법은 전해액에 녹일 수 있는 이산화탄소의 양(용해도)이 매우 적기 때문에 반응에 필요한 이산화탄소가 충분히 공급되지 못해 생산성이 매우 낮다는 문제점이 있다.

이와 같은 용해도 문제를 해결하기 위해 최근에는 기체상태의 이산화탄소를 전해액과 맞닿아 있는 촉매 층으로 직접 공급하는 기체확산전극(GDE, gas diffusion electrode) 기술이 도입됐으나 이산화탄소를 액체에 녹여서 반응시키기 위해 여전히 전해액을 사용하고 있다.

전해액은 이산화탄소가 쉽게 반응을 일으킬 수 있는 조건을 만들어주는 중요한 역할을 하지만 전기적인 저항으로 작용한다. 따라서 전해액을 사용하면 불필요하게 많은 전기에너지를 공급해야 하고 전해액 제조비용과 더불어 추가적인 반응기 부품 및 장치가 필요하다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 수증기를 불어넣는 간단한 방법을 고안해 전해액 사용을 대체했다. 수증기가 촉매의 표면에 맺혀 얇은 액체 막을 만들고 여기에 기체상태의 이산화탄소가 연속적으로 녹아들어가 빠르고 효율적으로 반응을 일으킬 수 있게 됐다.

이 기술은 낮은 이산화탄소 용해도 문제의 해결과 동시에 전기저항으로 작용하는 전해액 층을 제거해 제로-갭(zero-gap) 전극 구조를 구현함으로써 같은 전압조건에서 기존 전해액 사용 기술 대비 2배 이상의 높은 생산성을 달성했다.

연구진이 개발한 기술은 2018년 개미산염 생산에 적용해 생산성을 2배 이상 향상시킴과 동시에 95%의 높은 패러데이효율을 달성해 화학분야 세계적 권위지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’에 게재됐다.