December 13,2019

이산화탄소로 연료 대량 생산 가능

촉매로 처리했더니 천연가스 4배 나와

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자동차 배기가스에서 나오는 이산화탄소를 흡수하여 천연가스나 프로판 같은 연료로 바꿀 수 있다면 얼마나 좋을까.

최근 몇 개 연구들은 이산화탄소를 연료로 전환하는 기술에서 어느 정도 성공을 거두고 있다. 스탠퍼드 대학 엔지니어들이 개발한 촉매 기술은 유사한 공정을 가진 기존 방법보다 4배 더 많은 에탄, 프로판, 부탄 등을 만들어낸다고 연구팀이 발표했다.

이산화탄소 응용기술이 기후변화를 치료하는 모든 요법이 되지는 않겠지만, 이번 발전은 지구 온난화에 대한 단기적인 영향을 크게 줄일 수 있다.

아이트베코바(왼쪽)와 카르그넬로 교수 ⓒ L.A. Cicero

아이트베코바(왼쪽)와 카르그넬로 교수 ⓒ L.A. Cicero

이번 연구를 주도한 마테오 카르그넬로(Matteo Cargnello) 스탠퍼드 대학 화학공학과 교수는 “이산화탄소에서 연료를 생산한 뒤 연소해 이산화탄소를 배출하고, 그 이산화탄소로 다시 연료를 만들어내는 ‘탄소중립 사이클’을 상상할 수 있다”고 말했다.

이번 연구는 안게반테 케미(Angewandte Chemie) 저널 최신호에 발표됐다.

이산화탄소를 연료로 전환하려는 공정은 보통 2단계 과정을 거친다. 첫 번째 단계는 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸고, 두 번째 단계는 일산화탄소와 수소를 결합시켜 탄화수소 연료를 만든다. 탄화수소 연료 중 가장 간단한 것은 메탄이지만, 생산할 수 있는 다른 연료로는 에탄, 프로판, 부탄 등이 있다.

2단계 과정을 1단계로 줄여    

에탄은 천연가스의 가까운 친척이며 플라스틱의 전구체인 에틸렌을 만들기 위해 산업적으로 사용될 수 있다. 프로판은 보통 가정에서 음식을 조리하는 데 사용된다. 부탄은 라이터와 캠프용 스토브에서 흔히 볼 수 있는 연료다.

카르네로 교수는 두 단계를 한 번의 반응으로 완료하는 것이 훨씬 더 효율적이라고 생각했다. 이산화탄소에서 산소 분자를 떼어내어 일산화탄소를 만드는 것과 동시에, 일산화탄소와 수소를 결합시킬 수 있는 새로운 촉매제 개발에 착수했다.

촉매는 화학반응이 일어날 때 자신은 소모되지 않고 화학 반응을 유도하는 것이 특징이다. 연구팀은 루테늄(ruthenium)과 구조가 이질적인 철산화물 나노입자를 결합해 촉매로 만드는데 성공했다.

카그넬로 교수 연구실의 박사 과정 학생이자 논문의 주저자인 아이줄루 아이트베코바(Aisulu Aitbekova)는 “루테늄이 핵심부에 자리잡고 있으며 바깥쪽에 철이 둘러싸고 있다”고 말했다. 이 촉매가 이산화탄소에서 탄화수소 형성을 활성화할 뿐 아니라, 처음부터 끝날 때까지 공정을 증진시킨다.

연구팀은 SLAC 국립 가속기 연구소의 사이먼 베어(Simon Bare) 등과 협력해서 촉매를 발견했다. SLAC의 정교한 X선 특성화 기술은 새로운 촉매 구조를 시각화하고 검사하는 데 도움이 되었다. 이 협업이 없었다면, 카르네로는 최적의 구조를 발견하지 못했을 것이라고 말했다.

비록 이 과정이 여전히 실험실 기반의 시제품에 불과하지만, 연구원들은 이 공정이 사용 가능한 양의 연료를 생산할 수 있을 만큼 충분히 확장될 수 있을 것으로 기대한다.

부산물 처리 및 경제성 확보해야    

소비자들이 이 기술을 바탕으로 삼아 생산한 제품을 구입하기까지는 많은 노력이 필요하다. 제조과정에서 나오는 독성 오염물질인 일산화탄소와 같은 부산물을 줄이려는 노력이 포함된다.

연구팀은 또한 연료뿐만 아니라 다른 유익한 제품들을 만드는 방법을 개발하고 있다. 그중 하나는 많은 용도에 사용될 수 있으며, 플라스틱의 주요 재료인 올레핀이다.

카르네로 교수는 두 촉매제가 연료 합성을 향상시키기 위해 협동한다 생각한다. 루테늄이 수소를 이산화탄소에서 나온 탄소와 결합시킬 준비가 되게 한 다음, 수소는 철 외곽으로 흘러 들어와 이산화탄소가 더 잘 반응하게 된다.

연구팀은 실험실에서 촉매제를 실험했을 때, 에탄, 프로판, 부탄과 같은 연료 수확량이 이전 촉매보다 훨씬 더 높다는 것을 발견했다. 하지만 여전히 몇 가지 도전에 직면해 있다. 루테늄 같은 비싼 금속의 사용을 줄이고 촉매를 최적화하여 특정 연료만을 선택적으로 만들기를 원한다.

연구팀은 “이질구조물의 합리적인 설계가 이산화탄소 변환 공정에서 촉매 성능을 크게 향상시키는 물질을 얼마나 발생시킬 수 있는지를 보여준다”고 밝혔다.

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