이산화탄소 전해질로 전기·수소 생성x기후변화 대응

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀은 이산화탄소를 사용해, 전기와 수소를 생산하는 ‘수계 금속(아연, 알루미늄)-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn or Al–CO₂System)’을 개발했다.

수계(Aqueous)는 물 기반의 전해질을 사용하는 것을 의미한다. 물에 수산화칼륨이나 수산화나트륨 등을 미량 녹여 전해질로 사용한다.

이 시스템은 물에 녹인 이산화탄소를 활용해 작동하는 일종의 전지인데, 전기화학 반응 과정에서 기후변화의 주범인 이산화탄소는 제거되고 전기와 수소가 만들어지는 방식이다.

지구온난화 등 기후변화 문제가 심각해짐에 따라 이산화탄소를 저감하기 위해 전세계적으로 이산화탄소를 포집·활용·저장하는 기술(CCUS) 개발이 활발히 진행되고 있다.

기체상태의 이산화탄소는 화학적으로 매우 안정적인 상태라서, 그 결합을 끊고 다른 물질로 변환하기 어려워, 세계 각 국은 효율적으로 이산화탄소를 전환하기 위한 연구에 집중하는 상황이다.

이번 연구는 이산화탄소를 물에 녹이면 손쉽게 다른 물질로 전환할 수 있다는 점에 착안했다. 이산화탄소가 물에 녹게 되면, 그 물은 수소이온(H⁺)이 많아져 산성을 띠는 물이 되면서, 전자(electron)들이 이동하면서 전기 에너지가 만들어지는 것이다.

이 시스템은 연료전지처럼 음극(아연, 알루미늄 금속)과 분리막, 양극(촉매)으로 구성. 다른 전지와 달리 촉매가 물속에 담겨 있으며, 음극과 도선으로 연결된다. 전기가 만들어지는 과정에서 이산화탄소는 다른 물질(탄산수소칼륨)로 변환되는데 이 때 전환 효율은 57% 혹은 그 이상이 된다. 또한, 그 과정에서 수소도 생산되기 때문에 일석이조의 효과를 거둘 수 있다.

‘이산화탄소’를 제거하는 동시에 ‘전기’를 생산, ‘수소’까지 얻는 이번 기술은 지난해 본 연구팀이 공개한 ‘나트륨 금속–이산화탄소 시스템(Hybrid Na-CO₂system)’보다 효율성과 안전성이 크게 향상됐다.

기존보다 저렴한 전극(금속)과 분리막으로 바꿔 가격을 낮추었을 뿐만 아니라, 폭발위험이 없어 안전하며 전기 출력과 수소 생산 속도도 크게 높아졌다.

김건태 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수는 “이 기술은 이산화탄소를 더 빠르고 값싸게 줄이면서 수소와 전기를 생산할 수 있는 활용성 높은 세계 최초 기술”이라며 “실증 연구 수준에 빠르게 도달한 만큼 상용화 가능성도 높을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

본 연구는 국제적인 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)에 게재(’19.5.22.)됐다. 과학기술정보통신부 기후변화 대응 기술 개발사업의 ‘Korea CCS 2020’ 사업의 지원을 받아 수행됐다.

*논문명: Highly Efficient CO₂ Utilization via Novel Aqueous Zn or Al-CO₂ Systems for H₂ and Electricity Production

*저자 정보 : 김창민(UNIST, 제1저자), 김정원(UNIST, 제1저자), 주상욱(UNIST), 양예진(UNIST), 신지영 교수(숙명여대), 메일린 리우(조지아텍), 조재필(UNIST), 김건태(UNIST, 교신저자)