[기계신문] 기후변화의 심각성이 전 세계적으로 대두됨에 따라 이를 해결하기 위한 친환경 기술개발이 요구되고 있다. 지구온난화의 주범인 이산화탄소는 산업화의 부산물로 그 배출량과 대기 중 농도가 꾸준히 증가하고 있으며, 이에 따라 탄소중립을 넘어 대기 중 이산화탄소 양을 저감할 수 있는 탄소 저감 기술이 필수적이다.
전기화학적 이산화탄소 환원 기술은 온실가스 배출이 없는 친환경 에너지원으로부터 생산된 전기에너지를 바탕으로 이산화탄소를 고부가가치의 화합물 또는 연료를 변환하는 기술로 에너지와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 차세대 미래 기술로 주목받고 있다.
특히 에틸렌은 플라스틱, 각종 건축자재, 비닐, 합성고무 등의 원료 물질로서 ‘석유화학산업의 쌀’로 불린다. 하지만 기존 에틸렌은 석유나 천연가스를 고온 고압의 공정을 통해 정제하여 생산되기 때문에 많은 온실가스를 배출하게 된다. 신재생에너지와 직접 연계가 가능한 전기화학적 이산화탄소 전환 기술이 기대를 모으고 있는 이유다.
최근 UNIST 에너지화학공학과 권영국 교수팀이 이산화탄소를 원료로 활용해 에틸렌을 생산하는 구리알루미늄 합금 촉매를 개발하는데 성공했다. 촉매를 전극에 바른 뒤 전기를 흘려주면 촉매 표면에서 이산화탄소가 전기화학 반응을 통해 에틸렌으로 바뀌어 나온다.
연구팀이 개발한 촉매는 이제껏 논문으로 보고된 촉매 중 최고 수준인 82.4%의 전류효율을 기록했으며, 기술의 상업화 경제성을 판단하는 전류 밀도 (421 ㎃ ㎝⁻²) 또한 제시된 평가 기준의 2배를 넘어섰다. 촉매 효율이 높을수록 부산물이 적게 생성됐다는 의미이며, 전류밀도는 단위 시간당 생산할 수 있는 에틸렌의 양을 가늠할 수 있는 지표다. 기술 경제성평가에서 제시하는 최소 기준은 200 ㎃ ㎝⁻²다.
촉매를 합성하는 방법도 간단하다. 구리와 알루미늄 원료를 동시에 침전시킨 후 열을 가해주기만 하면 돼 대량생산이 쉽다. 권영국 교수는 “온실가스를 제거하는 동시에 에틸렌을 친환경적으로 생산할 수 있는 일거양득의 기술”이라며 “기술 경제성평가 기준을 충족한 데다가, 촉매 합성 방법이 간단해 친환경 에틸렌 생산 기술의 상용화를 앞당기는 데 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.
개발한 촉매는 산화구리알루미늄(Al₂CuO₄) 나노시트(sheet)에 산화구리(CuO) 나노입자가 균일하게 올려져 있는 형태다. 에틸렌 합성 반응은 다단계 합성 반응이라 부산물이 생기기 쉬운데, 촉매의 두 성분이 각각 다른 단계의 촉매 반응을 나눠 분담해 에틸렌 합성 반응만 빠르게 많이 일어날 수 있다는 설명이다.
실제 분석 결과, 산화구리 표면에서는 이산화탄소(CO₂)가 일산화탄소(CO)로 바뀌는 반응이, 산화구리알루미늄에서는 탄소-탄소 커플링 반응이 잘 일어나는 것으로 나타났다. 탄소-탄소 커플링 과정은 일산화탄소(CO)의 탄소끼리 서로 만나 에틸렌(C₂H₄)의 탄소결합을 형성하는 과정으로 가장 까다로운 반응으로 알려져 있다.
또, 산화구리알루미늄이 활성상태 일산화탄소를 잘 붙잡아주는 역할도 해 중간 반응물인 일산화탄소의 농도를 높게 유지할 수 있어 합성 반응이 잘 일어난다.
UNIST 시라즈 술탄(Siraj Sultan) 박사, 이호정 에너지화학공학과 연구원, 윤아람 신소재공학과 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구결과는 에너지·환경과학 분야 국제학술지 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 3월 22일자로 온라인 선 공개돼, 정식 출판을 앞두고 있다.
연구 수행은 한국연구재단의 Carbon to X 기술개발사업, 중견과제, 중견연구과제 등의 지원을 받아 이뤄졌으며, UNIST 신소재공학과 이종훈 교수팀, KENTECH 김우열 교수팀, KAIST 김형준 교수팀이 공동으로 참여했다.
이번 연구에서 개발된 ‘계면이 풍부한 구리-알루미늄 합금 촉매’(Interface rich CuO/Al₂CuO₄)는 표면 일산화탄소 고농도 유지와 고효율의 C-C 커플링이 가능하다. 이는 전기화학적 이산화탄소 전환 에틸렌 생산 기술의 실질적인 활용을 위해 필수 조건이다.
이번 연구는 석유화학산업 중요 기초유분인 에틸렌을 친환경적인 공정으로 생성하는 기술의 실현 가능성을 높일 것으로 기대된다. 아울러 제시된 기술은 다양한 전기화학 촉매 연구 분야로 확장이 가능하여 연구개발의 의의가 크다.
기계신문, 기계산업 뉴스채널