이산화탄소(CO₂)는 탄소 원자와 2개의 산소 원자가 결합되어 있어 매우 안정된 분자구조를 자랑한다. 그런데 안정된 분자구조를 가지고 있다는 말은 다른 분자와 거의 화학 반응을 하지 않는다는 것을 의미한다. 이 때문에 이산화탄소를 이용해서 다른 유용한 화학물질을 만든다는 것은 쉽지 않은 일이다.

따라서 이산화탄소를 유용하게 활용하기 위해서는 일산화탄소(CO)와 같은 활성을 가진 탄소 물질로 반드시 전환을 시켜야만 한다. 이산화탄소에서 산소 원자 하나를 제거한 일산화탄소는 훨씬 반응성이 큰 분자로 존재하기 때문이다.

하지만 이산화탄소의 일산화탄소 전환은 간단한 일이 아니다. 최근 미국의 과학자들이 금을 촉매로 이용하여 지구 온난화의 주범으로 지목되고 있는 이산화탄소를 난방 연료 같은 유용한 물질로 바꾸는 연구를 진행하고 있어 주목을 끌고 있다.

대체연료 제조에 사용되는 일산화탄소

과학기술 전문 매체인 사이언스데일리(Sciencedaily)는 미 브라운대의 과학자들이 일산화탄소를 이산화탄소로부터 전환하는 새로운 촉매를 개발하고 있다고 보도하면서, 이는 금속 나노입자들을 적절한 크기의 입자들로 전환하는 새로운 기술을 통해 가능해졌다고 밝혔다.

일산화탄소는 합성천연가스나 메탄올 같이 대체연료를 생산하는 데 사용되거나 합성수지 및 도료 등 여러 화학 물질 제조에 활용될 수 있기 때문에 이산화탄소보다는 산업적으로 훨씬 더 유용한 기체다.

지구 온난화에 대한 우려가 본격적으로 시작되고 나서부터 인류는 이산화탄소를 연구하는데 심혈을 기울여 왔다. 그 결과 이산화탄소를 분리하는 기술은 상당한 수준에 이르게 되었다. 하지만 이를 유용하게 활용할 수 있는 방안까지는 기술개발이 이루어지지 않아 현재로서는 매립하는 것으로 이산화탄소를 처리하고 있다.

그러나 대다수 과학자들은 이산화탄소를 매립하는 현재의 처리방법은 또다른 문제를 발생시킬 수 있다고 경고한다. 매립한 이산화탄소가 토양 생태계를 변화시키거나 지진과 같은 재해로 인해 다시 지상으로 새어 나올 수도 있기 때문이다.

따라서 이산화탄소를 원료로 유용한 물질을 만들 수만 있다면 인류에게는 일석이조의 선물이 될 수 있다는 것이 과학자들의 공통된 의견이다.

기존의 금 촉매 전환 공정은 실용성이 떨어져

이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 공정에 금을 촉매로 사용할 수 있다는 것은 여러 과학자들의 연구를 통해 이미 밝혀진 사실이다. 하지만 금은 물과 이산화탄소 모두와 반응할 수 있어 일산화탄소보다는 부산물인 수소를 만드는 데 더 친화적이기 때문에 실용성이 떨어진다는 것이 현재까지 알려진 사실이다.

브라운대의 화학과 교수인 쇼우헹 선(Shouheng Sun) 교수와 연구진은 이 같은 금의 촉매 성질을 연구하다가, 금을 나노 입자의 수준으로 작게 만든다면 화학반응에 참여하는 촉매의 표면적이 크게 넓어지면서 효율이 높아질 것으로 예상했다.

본격적인 실험에 앞서 연구진은 입자를 작게 만들수록 더 좋은 활성을 가질 것으로 예상했다. 그러나 실험결과 촉매의 입자를 4나노미터(nm)나 6나노미터로 만들었을 때는 활성을 잃어버리므로, 90%의 전환율을 보인 8나노미터의 크기가 가장 높은 효율을 보인 것으로 나타났다.

연구진은 처음에는 이러한 현상을 이해하지 못했다. 그러나 이번 연구에 참여한 공학과의 앤드류 피터슨(Andrew Peterson) 교수는 이런 결과가 나온 이유에 대해 “금 나노 입자의 모양에 의한 차이라고 생각한다”면서 “다시 말해 최적의 효율이 되는 모양이 있는데, 금 촉매의 경우는 8나노미터가 최적의 크기로 보인다”고 덧붙였다.

전문가들은 이번 연구결과를 통해 “나노 입자로 작아진 금이 이산화탄소의 전환 공정에 있어 매우 효율적인 촉매라는 사실이 입증되었다”며 “일산화탄소가 수소첨가 과정을 거쳐 메탄올을 만들 수 있고, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 공정을 이용하여 다른 탄화수소 연료를 제조할 수 있다는 것이 확인된 만큼 금 촉매 기술을 ‘21세기의 연금술’이라 불러도 손색이 없을 것”이라고 평가하고 있다.

업계에서는 이번 연구의 성공 여부가 경제성 및 대량 생산의 가능성에 달려 있다고 보고 있다. 이 같은 의견들에 대해 선 교수는 “나노 입자를 사용하고 있기 때문에 대량의 금속 촉매에서 이용하는 것보다 금을 훨씬 더 적게 사용할 수 있을 것”이라며 “이런 점들이 촉매의 비용을 저감시키고 대형화할 수 있는 잠재력을 제공하게 될 것”이라고 전망했다

비스무트를 촉매로 한 이산화탄소 전환기술

이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는 공정에 금 촉매만 각광을 받고 있는 것은 아니다. 미 델라웨어대의 연구진은 비스무트를 이용한 저비용의 촉매를 사용하여 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는 공정의 효율을 획기적으로 높이고 있어 또 다른 관심을 모으고 있다.

비스무트(Bismuth)는 독성이 없고 환경에 미치는 영향도 매우 적기 때문에, 이산화탄소 전환 공정에 필요한 후보 촉매 물질 중 하나로 꼽히고 있다. 더욱이 비스무트는 납이나 구리 정제의 부산물이면서도 상업적 이용성이 매우 낮아, 가격이 낮고 안정적 공급이 가능한 장점까지 가지고 있다.


그러나 비스무트는 이 같은 매력적인 품질을 가지고 있음에도 불구하고, 그동안 이산화탄소의 환원 결과가 하나밖에 없으며, 일산화탄소로의 전환을 위한 촉매로서의 활성 능력이 아직은 기대한 만큼의 결과를 보여주지 못해 유력한 후보 물질로서만 인정받고 있었다.

그런데 최근 델라웨어대의 연구진이 개발 중인 비스무트-일산화탄소 진화 촉매(Bi-CMEC, Bismuth Carbon Monoxide Evolving Catalyst)는 선택적으로 일산화탄소를 생산할 수 있으며, 또한 패러데이 효율(FE, Faradaic efficiency)도 95% 정도까지 이르는 것으로 나타났다.

이 같은 연구결과를 바탕으로 현재 델라웨어대 연구진은 비스무트 기반의 촉매 개발이 이산화탄소의 일산화탄소 전환 효율을 높이고, 이를 통해 탄소기반의 연료들을 인공적으로 합성하는 데 도움을 주어 에너지 및 환경 문제를 개선하는 데 기여할 것으로 기대하고 있다.