역삼투압 원리가 탄소포집활용 기술에?

한국과학기술연구원 청정에너지 연구센터 오형석, 이웅희 연구팀이 정수기의 역삼투압 원리를 접목해, 이론상 100%의 이산화탄소 전환율을 달성할 수 있는 혁신적인 전략을 개발했다.

기후 위기의 주범인 이산화탄소를 포집, 활용, 저장하는 기술인 CCUS는 탄소 중립을 위한 게임 체인저로 불리고 있다. CCUS 중에서도 이산화탄소를 유용한 화학원료로 전환하는 전기화학적 전환 기술은 에너지 소비가 적고 공정이 간단해 대규모 시스템을 통한 상용화 기술로 주목받고 있다.

전기화학 공정의 핵심 소재인 이온 교환막의 성능이 좋아야 전환율을 높일 수 있는데, 기존 음이온 교환막은 내구성이 떨어져 전환율이 40% 이하에 그치는 한계가 있었다. 양이온 교환막을 사용하는 것이 해법으로 제안됐지만, 산화 반응을 촉진하는 특성에 따라 전환 성능이 떨어져 상용화에 어려움을 겪고 있었다.

연구팀은 압력이 가해지는 곳에 이온 농도가 높아지는 역삼투압 현상을 이용해, 이산화탄소가 전환되는 쪽에 6기압 이상의 높은 압력을 가해 줄 수 있는 시스템을 개발했다. 이 시스템은 CO2 환원 반응의 경쟁 반응인 수소 발생 반응을 억제하는 동시에 알칼리 이온 농도를 증가시켜 CO2 환원 반응의 성능과 선택도를 증가시킬 수 있었다.

이를 통해 250mA/cm2의 높은 전류 밀도에서도 이산화탄소 전환율 50% 이상을 달성했다. 이는 기존 음이온 교환막 시스템의 최대 전환율을 뛰어넘는 수치다.

연구팀은 양이온 막의 장점인 높은 이산화탄소 전환율을 유지하면서도 전환 성능까지 달성한 것으로 평가하고 있다. 양이온 교환막을 활용할 경우 이론적으로 전환율이 100%가 될 수 있는데, 이번 전기화학적 CO2 전환 시스템의 역삼투압 기반 전략은 상용화 가능성을 높여줄 것으로 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 유용 물질 생산을 위한 Carbon to X 기술 개발 사업 및 탄소 자원화 플랫폼 화합물 제조 기술 개발의 지원으로 수행됐으며, 에너지 분야 국제 학술지 '에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 6월 14일 자로 게재됐다.