전기에너지로 이산화탄소 업사이클링!

전기에너지로 이산화탄소 업사이클링!

 

대학생신재생에너지기자단 21기 김수현

[이산화탄소 전환에 주목하는 이유]

화석연료 사용으로 온실가스인 이산화탄소가 대기로 다량 배출되어 지구의 평균기온이 증가했고 이로 인해 기후변화, 해수면 상승, 생태계 파괴 등 다양한 문제가 발생해왔다. 더 큰 재앙을 막기 위해서 대기 중 이산화탄소량을 감소시키는 것이 과제로 대두되고 있다. 그러나 러시아의 천연가스 대란과 기후변화로 인한 전력난 등으로 유럽을 포함한 많은 나라에서 석탄발전소를 더 많이 가동하고 있으며 전체 에너지의 30% 정도를 차지하는 재생에너지로는 아직까지 화석연료에 의존할 수밖에 없다. 따라서 이런 이산화탄소를 부가가치가 높은 자원으로 전환하여 새롭게 활용하려는 노력이 꾸준히 이어져 오고 있다. 특히 이번에 살펴볼 전기화학적 이산화탄소 전환기술은 열역학적으로 안정한 이산화탄소를 다양한 온도/압력 조건에서 물과 함께 반응시켜 여러 가지 유기물질을 생성할 수 있다. 배출되는 오염 물질이 적어 환경친화적이고, 태양열, 태양광, 풍력 등의 신재생에너지를 사용한다면 추가적인 온실가스의 배출량을 줄일 수 있어 연구자들의 많은 주목을 받아 왔다.

[자료 1. 이산화탄소 ]

출처: 한화

[전기화학 전환기술의 정의]
전기화학적 이산화탄소 전환은 열역학적으로 안정한 이산화탄소를 물과 함께 전기분해하여 유용한 화합물로 전환하는 것을 말한다. CO2는 수소이온(H+)과 전자(e-)를 공급받아 환원반응을 일으키며, 반응에 참여하는 전자와 수소 이온의 개수에 따라 일산화탄소(CO), 개미산(formic acid), 메탄올(methanol), 에틸렌(ethylene), 에탄올(ethanol) 등 고부가가치 화합물이 생성된다.

[자료 2. 전기화학적 전환반응시스템 ]

출처 : 이산화탄소전환기술백서

CO2의 전기화학적 전환은 [자료2]과 같이 환원전극, 산화전극, 전해질, 분리막으로 사용되는 이온교환막으로 구성된다. 환원전극에서는 전자와 함께 이산화탄소가 반응해 생성물을 형성하는 CO2 환원반응이 일어나며, 산화전극에서는 일반적으로 물 산화 반응이 일어난다. 전해질은 이온을 포함한 용액 또는 고분자막을 말하며, CO2를 전기화학촉매 표면으로 이동시켜 환원반응이 일어나도록 한다. 분리막으로 활용되는 이온교환막은 환원전극(cathode)과 산화전극(anode)에서 발생한 생성물을 분리시키고 이온들의 교환이 이루어지도록 한다.

[전기화학 전환기술의 과제]

우선 매우 안정된 분자구조를 가진 이산화탄소를 유용한 탄소화합물로 환원하기 위해서는 많은 에너지가 필요하다. 열역학적 표준 상태에서 CO2환원은 0V 근처에서 일어나는데 실제로 전기화학적 CO2 환원에 들어가는 에너지는 열역학적으로 필요한 에너지보다 크다. 즉, 열역학적으로 필요한 정도를 넘어서는 전기화학적 과전압이 인가되어야 CO2 환원반응이 일어나는 것이다.

[자료 3. 이산화탄소 전환 화합물 생성을 위한 이론적 과전압 ]

출처 : 이산화탄소전환기술백서

이런 활성화 장벽 문제 외에도 이산화탄소 환원 경로가 다수의 단일 단계 반응을 포함해 반응 진행에 어려움이 있으며, CO2의 전기화학적 환원 과정에서 필요한 양성자 중간체(*H)를 수소(H2)로 환원시키는 반응이 경쟁반응으로 작용해 복잡하다. 전기화학적 CO2 환원에서는 CO2가 기체 상에서 시작하여 최종 생성물로 전환될 때까지 다양한 경로가 고려되며 이에 따른 생성물도 다양해 생성물들을 선택적으로 합성하기 위해서 여러 단계의 메커니즘을 제어해야 하기 때문에 매우 복잡하다. 또한 대부분의 전기화적 CO2 환원 연구는 CO2가 포화된 수용액을 전해질로 사용하는데 표준 조건에서 수용액 내 CO2 용해도가 34mM으로 낮다는 한계가 있다.
이런 높은 과전압, 낮은 산물 선택도 등의 한계를 해결하기 위해 환원 촉매, 전환장치 등 많은 분야에서 기술 개발이 진행되어왔다.

[우리나라의 전기화학 전환기술 관련 연구들]

최근 1~2년의 국내 연구들 위주로 조사해보았다.
1. 한국과학기술연구원(KIST)은 이산화탄소 전기화학적 환원반응을 위한 저렴한 황화 니켈 촉매 물질을 개발했다. 황화니켈 촉매는 반응 중에 단일 원자 니켈 촉매의 전자구조를 모사해 높은 전기화학적 이산화탄소 전환 활성을 보였다. 전력효율도 기존 니켈 단일원자 촉매(22%)보다 3배 이상(70%) 향상되는 것으로 확인됐다.
2. LG화학은 KIST와 공동연구를 통해 이산화탄소 분해 및 환원에 사용되는 전류 효율이 90% 이상으로, 지금까지 논문으로 보고된 수치 중 가장 높은 '전기화학 전환 반응기'를 개발했다. 또 반응기 내 셀을 옆으로 쌓는 스택(Stack) 공법을 적용해 현존하는 전기화학적 반응기 중 상업화를 시도할 수 있는 최적의 규모를 구현했다.
3. SK이노베이션 환경과학기술원은 산화탄소의 98% 이상을 일산화탄소로 전환할 수 있는 전기화학 촉매 기술을 개발하고 상용화 발판을 마련했다. 이전까지 촉매는 수백 개 원자가 뭉쳐진 형태였지만 SK이노베이션은 원자를 하나하나 분리해 만든 단원자 촉매의 활성화 성능을 더 높였다.
4. 한국에너지기술연구원은 전기적 저항으로 작용했던 전해액을 대체하는 신개념 기술을 개발하였다. 전해액은 이산화탄소 전환 반응에 필요한 에너지를 줄이기 위해 사용해왔지만 불필요하게 많은 전기에너지를 공급해야하며 전해액 제조비용과 더불어 추가적인 반응기 부품 및 장치가 필요하다는 단점이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수증기를 불어넣어 수증기가 촉매의 표면에 맺혀 얇은 액체 막을 만들고 여기에 기체상태의 이산화탄소가 연속적으로 녹아들어가 빠르고 효율적으로 반응을 일으킬 수 있게 하였다.

[앞으로의 전기화학 전환기술]
전기화학적 전환에는 굉장히 많은 변수들이 있으며 반응 경로와 생성물도 복잡하고 다양해 기본적으로 이산화탄소 환원반응에 대한 매커니즘을 이해하는 것이 중요하다. 또한 일산화탄소와 같은 c1 화합물 외에 에틸렌과 같은 c2 이상의 화합물에 대한 기술개발도 더욱 활발히 이루어져야 한다.
이산화탄소의 전기화학적 전환은 다양한 분야와 접목할 수 있다. 실제로 재료와 반응 환경에 대한 변수로부터 최적의 조건을 찾기 위해서 머신러닝 알고리즘을 이용해 이산화탄소 환원 촉매와 양자역학적 계산을 접목시켜 큰 성과를 보인 사례가 있다. 또한 실험을 할 때 일관성이 필요한데 이 과정에서 로봇 공학이 활용될 수 있다.
이산화탄소 전기화학적 전환과 관련해 많은 연구들이 진행되어왔으며 위에서 본 것처럼 높은 효율로 상용화를 앞두고 있는 기술들도 있다. 앞으로 이산화탄소와 재생에너지를 통해 귀중한 자원을 얻을 수 있는 전기화학적 전환기술이 상용화되어 탄소중립에 이바지하기를 기대해본다.

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이산화탄소 전환에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기
1. "이산화탄소로 만들어진 제품, 사용하시겠습니까?", 20기 김지원, https://renewableenergyfollowers.org/3689
2. "CCUS, 에너지 전환의 단단한 징검다리", 18기 이지수, https://renewableenergyfollowers.org/3373

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참고문헌

[이산화탄소 전환에 주목하는 이유]
1) 이원희 외 4명, "전기화학적 이산화탄소 전환을 통한 고부가가치 화합물 생산", 공업화학 전망, 제21권 제4호, 2018.
[전기화학 전환기술의 정의]
1) 고자경 외 17명, "이산화탄화탄소 전환(CCU) 기술백서", 한국화학연구원, 2020.11.
[전기화학 전환기술의 과제]
1) 고자경 외 18, 이산화탄화탄소 전환(CCU) 기술백서, 한국와학연구원, 2020.11.
[우리나라의 전기화학 전환기술 관련 연구들]
1) 김민수, “지구온난화 주범 이산화탄소를 산업계 자원으로 만든다”, 동아사이언스, 2022.09.18., https://www.dongascience.com/news.php?idx=56289
2) 김성은, “LG화학·KIST, 공기 중 이산화탄소→플라스틱 원료 만든다”, 머니투데이, 2022.05.09., https://c2r.kist.re.kr/notice/researchDetail?articleSn=58
3) 김익환, “SK이노, 이산화탄소 전환 상용화 '눈앞'”, 한국경제, 2022.09.24., https://kr.investing.com/news/economy/article-835702
4) 홍시현, “에너지연, 신개념 전기화학적 이산화탄소 전환 기술 개발”, 투데이에너지, 2021.05.27., http://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=236691 
[앞으로의 전기화학 전환기술]
1) 고자경 외 18, 이산화탄화탄소 전환(CCU) 기술백서, 한국화학연구원, 2020.11.