전 세계의 대기 중 이산화탄소 농도는 산업화시대 이후로 급격히 증가하여 2017년 3월 기준 405 ppm으로, 이는 산업화 이전 대비하여 40%정도 증가한 것이다.
온실가스인 이산화탄소 농도 증가에 따라 지구의 평균 대기 온도도 증가하여 이미 산업화 이전에 비하여 1℃ 증가하였으며, 지구 온난화에 따라 바다 수면도 산업화 이전에 대비하여 88mm 증가한 것으로 알려져 있다.
최근 전 세계에서 일어나는 극심하고 예측 불가능한 기후 변화는 온실가스 증가 및 지구 온난화에 따른 대기 불안정 현상 때문인 것으로 여겨진다.
과학계에서는 지구 온난화에 따른 기후 재앙을 막기 위해, 대기 온도 증가는 3℃ 이하로 제한하고 공기 중 이산화탄소는 1조 7천억톤 이상을 저감해야 할 것으로 예상하고 있다.
이산화탄소를 저감하는 방법 중의 하나로 신재생 태양광 및 풍력발전을 통해 생산된 전력을 이용하여 이산화탄소를 전기를 이용하여 분해하고, 이때 일산화탄소 및 탄화수소를 선택적으로 얻는 방식이 주목 받고 있다.
이 방법은 화석연료를 사용하지 않고 청정한 전력에너지를 이용하여 온실가스를 저감하고, 동시에 일산화탄소와 탄화수소와 같은 유용한 화학물질을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
이때 반응 촉매로는 금, 은 등의 나노입자가 사용되는데, 상업적 경쟁력을 갖기 위해서는 소재 및 제조 공정 측면에서 비용 절감과 성능 증대를 동시에 구현할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
기존의 기술은 화학적 합성법으로 금, 은 등의 나노입자를 제조하고, 이를 탄소 등의 지지체에 올려 이산화탄소에 환원반응에 활용하는데, 합성단계가 복잡하고 화학물질이 부산물로 발생하는 단점이 있다.
최근 국내 연구진이 기후변화 문제를 해결할 수 있고, 유용한 화합물을 생산하는 친환경 이산화탄소 전환의 핵심 소재 기술을 개발했다고 밝혔다.
한국과학기술연구원(KIST) 연료전지연구센터 장종현, 박현서 박사팀은 특정 고분자로 코팅된 금 나노입자를 합성한 촉매 제조 기술을 개발하여 이산화탄소 전환 반응의 활성과 안정성이 크게 증대되는 것을 밝혔다.
이 기술은 고성능, 고내구성 촉매 소재를 친환경적인 방법으로 대량생산이 가능하여, 향후 온실 가스 저감 및 이산화탄소 전환 기술의 실용화 연계에 기여할 것으로 전망된다.
연구진은 이산화탄소 환원용 금입자를 제조할 때 폴리에틸렌 고분자를 금입자 표면에 코팅하며, 이산화탄소 환원 반응 활성과 선택성이 기존 금입자에 비해 약 30% 증가하는 것을 확인하고, 이때 고분자가 코팅에 의해 촉매의 내구성도 20% 이상 증가하는 것으로 나타났다고 밝혔다.
금입자 촉매 표면의 고분자 코팅은 황과 같은 피독 물질로부터 촉매 지지체 보호막 역할을 하는 동시에 이산화탄소를 잘 흡착시키는 역할을 수행하여, 금입자의 반응성과 내구성을 높이는 것으로 관찰되었다.
연구진은 또한 고분자 코팅된 금입자 생산을 쉽게 하기 위해 고분자 용액을 이용한 액체 스퍼터링 공정을 개발하여 향후 상업적인 촉매 제조 및 경제적인 온실가스 저감 기술을 위한 토대를 마련한 것으로 평가된다.
액체 스퍼터링 공정은 증착법의 일종으로, 아르곤 등의 가스 입자를 강한 전기장으로 이온화시킨 후 가속시켜 금속판에 충돌시키고, 이때 충돌로 인해 금속판에서 탈출한 금속 원자를 액체 용매에 모아 작은 입자로 만드는 방법이다.
KIST 장종현 박사는 “이번 연구로 개발된 촉매 기술은 활성과 내구성이 우수하며, 양산성이 높은 환경 친화적 기술이다. 향후 이산화탄소 전기분해 장치의 귀금속 촉매 사용량 및 공정 비용 절감에 기여할 것으로 전망된다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국이산화탄소포집 및 처리연구개발센터(KCRC)의 KOREA CCS(Carbon Capture & Storage) 2020 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ 최신호에 게재되었다.