- 신개념 전기화학적 이산화탄소 전환 기술 개발로 유용 화합물 생산성 2배 향상

- 전해액 대신 수증기를 사용하는 간단한 방법으로 경제성과 온실가스 감축효과 동시 달성

- 이산화탄소로부터 화학원료 및 친환경 연료를 생산함으로써 탄소중립에 기여 전망

- 중소기업 기술이전을 통해 이산화탄소 전환 기술의 사업화 추진

□ 눈앞의 현실이 된 기후위기에 대응하고 탄소중립 실현을 위해 세계 주요국들은 탄소 배출을 줄이는 것에서 더 나아가 배출된 탄소를 자원화하고 유용한 물질로 전환하는 기술에 주목하고 있다. 이산화탄소의 실질적 저감이 가능하고 포집한 이산화탄소를 잠재적 시장 가치가 있는 원료로 사용 가능하기 때문이다.

□ 이러한 가운데 국내 연구진이 새롭고 간단한 방법으로 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 시스템을 개발해 탄소중립의 핵심기술인 탄소포집·저장·활용(CCUS)기술의 상용화에 박차를 가하게 됐다.

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 탄소전환연구실 박기태 박사 연구진은 이산화탄소를 플라스틱, 섬유 및 화학제품의 원료로 사용되는 에틸렌, 합성가스, 일산화탄소, 개미산과 같은 유용한 화합물로 전환하는 기술의 생산성을 2배 이상 향상시킬 수 있는 신개념 전기화학적 이산화탄소 전환 기술을 개발했다.

□ 전기화학적 이산화탄소 전환 기술은 물과 전기에너지를 이용해 온실가스인 이산화탄소를 화학원료 및 연료로 바꾸는 친환경 기술이다. 온실가스도 줄이고 유용한 제품도 생산할 수 있어서 탄소중립 사회를 만들기 위한 핵심기술로 최근 큰 관심을 받고 있다.

■ 그동안의 전기화학적 이산화탄소 전환 기술연구에서는 이산화탄소 전환 반응에 필요한 에너지를 줄이기 위해 전해액을 사용해왔다. 이산화탄소가 전해액에 녹아있으면 기체상태일 때보다 훨씬 적은 에너지로도 유용한 물질을 생산할 수 있기 때문이다.

◯ 매우 안정된 분자구조를 가진 이산화탄소는 기체상태에서 반응을 유도해 유용한 물질로 만들기엔 많은 에너지가 필요하다. 그래서 많은 연구에서 이산화탄소를 액체에 녹여서 반응을 시키는데 이렇게 하면 기체상태의 반응에 비해 필요한 에너지가 굉장히 적어진다.

□ 하지만 이 방법은 전해액에 녹일 수 있는 이산화탄소의 양(용해도)이 매우 적기 때문에 반응에 필요한 이산화탄소가 충분히 공급되지 못해 생산성이 매우 낮다는 문제점이 있다.

□ 이와 같은 용해도 문제를 해결하기 위해 최근에는 기체상태의 이산화탄소를 전해액과 맞닿아 있는 촉매 층으로 직접 공급하는 기체확산전극(GDE, gas diffusion electrode) 기술이 도입됐으나 이산화탄소를 액체에 녹여서 반응시키기 위해 여전히 전해액을 사용하고 있다.

□ 전해액은 이산화탄소가 쉽게 반응을 일으킬 수 있는 조건을 만들어주는 중요한 역할을 하지만 전기적인 저항으로 작용한다. 따라서 전해액을 사용하면 불필요하게 많은 전기에너지를 공급해야 하고 전해액 제조비용과 더불어 추가적인 반응기 부품 및 장치가 필요하다.

■ 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 수증기를 불어넣는 간단한 방법을 고안해 전해액 사용을 대체했다. 수증기가 촉매의 표면에 맺혀 얇은 액체 막을 만들고 여기에 기체상태의 이산화탄소가 연속적으로 녹아들어가 빠르고 효율적으로 반응을 일으킬 수 있게 됐다.

■ 이 기술은 낮은 이산화탄소 용해도 문제의 해결과 동시에 전기저항으로 작용하는 전해액 층을 제거해 제로-갭(zero-gap) 전극 구조를 구현함으로써 같은 전압조건에서 기존 전해액 사용 기술 대비 2배 이상의 높은 생산성을 달성했다.

□ 연구진이 개발한 기술은 2018년 개미산염 생산에 적용해 생산성을 2배 이상 향상시킴과 동시에 95%의 높은 패러데이효율을 달성해 화학분야 세계적 권위지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’에 게재됐다.

*패러데이효율 (Faradaic efficiency): 반응에 사용된 전체 전류 중 몇 퍼센트가 실제 유용한 제품을 생산하는데 사용되었는지 나타내는 효율

□ 최근에는 이 기술을 일산화탄소 생산에도 적용해 기존기술 대비 2배 이상의 생산성과 93%의 높은 패러데이효율을 얻었으며, 한국과학기술원과의 공동연구로 경제성과 이산화탄소 감축효과를 동시에 달성할 수 있음을 확인했다. 해당 연구결과는 화학분야 세계적 권위지인 ‘그린 케미스트리(Green Chemistry)’ 2021년 3월호에 게재됐다.

■ 연구진은 이와 같은 매우 간단한 방법을 통해 불필요하게 소모되는 전기에너지를 최소화 할 수 있었다. 같은 양의 제품을 생산하는데 소비되는 전력을 30% 이상 줄일 수 있으며, 전해액 비용 및 전해액 사용에 따른 장치운전비용을 줄임으로써 제품의 생산단가를 50% 수준으로 낮출 수 있는 것으로 확인됐다.

■ 이번에 개발한 기술은 이산화탄소를 원료로 다양한 화학제품을 생산하는데 적용될 수 있어 기술의 파급효과가 클 것으로 기대하고 있다. 특히 자연에너지(태양광, 풍력 등)로부터 생산되는 전력을 활용해 탄소중립적인 화학제품(e-chemical) 및 연료(e-fuel)를 생산할 수 있어 다양한 산업분야로 적용처가 점차 확대 될 것으로 전망된다.

□ 연구진은 에틸렌, 합성가스, 일산화탄소, 유기산 등 다양한 화합물 생산에 적용하기 위한 전극 촉매 개발도 병행하고 있으며, 대전 본원 R&D 실증설비에서 이산화탄소 포집플랜트와 연계해 소형 파일럿 실증연구를 진행하고 있다. 연구진은 2025년까지 하루 1톤의 이산화탄소를 처리할 수 있는 규모로 확대해 나갈 계획이다.

■ 연구책임자인 박기태 박사는 “이번 기술 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 기술의 경제성과 생산성을 확보함으로써 관련 연구가 상용화 단계로 진입할 수 있는 계기가 마련됐다.”며 “개발된 기술이 철강, 시멘트, 석유화학, 정유 등 탄소 다배출 업종의 산업현장에 하루빨리 적용되기 위해서는 민간 주도의 노력이 시급하다.”고 강조했다.

■ 연구원은 이번에 개발한 전기화학적 전환 기술의 상용화를 위해 올해 2월에 에너지환경기술기반의 플랜트엔지니어링 전문기업인 ㈜성광이엔텍과 업무협약을 체결하고 대규모 기술 실증 및 사업화에 협력할 예정이며, 지난 5월 12일에는 해당기업과 ‘전기화학적 이산화탄소 전환 기술‘로 기술이전 계약을 체결했다.

□ ㈜성광이엔텍 김현준 대표이사는 “당사가 이번 기술이전을 통해 탄소중립 기술 상용화에 작지만 큰 한 걸음을 내딛을 수 있게 돼 기쁘다.”며 “한국에너지기술연구원과 협력해 이산화탄소 전환 기술의 사업화를 앞당길 수 있도록 최선을 다하겠다.”고 전했다.

□ 한편 이번 연구는 한국에너지기술연구원 주요사업 및 산업통상자원부 에너지기술개발사업의 일환으로 수행됐다. 이번 기술개발을 통해 6건의 국내외 원천 특허가 등록됐으며 11편의 논문이 국제 우수 학술지에 게재됐다.