(This schematic shows the electrolyzer developed at Rice University to reduce carbon dioxide, a greenhouse gas, to valuable fuels. At left is a catalyst that selects for carbon dioxide and reduces it to a negatively charged formate, which is pulled through a gas diffusion layer (GDL) and the anion exchange membrane (AEM) into the central electrolyte. At the right, an oxygen evolution reaction (OER) catalyst generates positive protons from water and sends them through the cation exchange membrane (CEM). The ions recombine into formic acid or other products that are carried out of the system by deionized (DI) water and gas. Credit: Chuan Xia and Demin Liu/Rice University)
포름산 (formic acid)은 CH2O2의 단순한 구조식을 지닌 화합물로 개미나 벌의 독에 포함되어 있어 흔히 개미산으로 불립니다. 오래전부터 알려진 화학 물질로 우주 공간에서도 발견될만큼 흔한 탄화수소 화합물입니다. 산업적으로 널리 쓰이지는 않지만, 만약 저렴한 가격에 대량으로 생산할 수 있다면 더 복잡한 화학 물질을 제조하는 원료나 혹은 그 자체로 에너지원으로 사용될 수 있습니다. 포름산 배터리 대해선 아래 글을 참조해 주시기 바랍니다.
라이스 대학의 하오티엔 왕(Haotian Wang)과 추안 시아 (Chuan Xia)는 새로운 촉매 시스템을 이용해 전기 에너지를 포름산 에너지로 바꾸는 방법을 개발했습니다. 에너지 전환 효율은 42%로 아주 높지는 않지만, 태양광이나 풍력, 혹은 원자력 등 유휴 시간대에 남는 전력이 많은 경우 이를 포름산으로 전환한다면 상당한 에너지를 저장하거나 기타 유용한 물질을 생산할 수 있습니다. 원료인 물과 이산화탄소 역시 무제한으로 공급할 수 있습니다.
이 변환 시스템의 핵심은 2차원 비스무스 촉매 (two-dimensional bismuth catalyst)와 고체 전극입니다. 원자 번호 83번인 비스무스는 매우 무거운 원자로 화학 반응을 안정시키는데 도움이 된다고 합니다. 더 중요한 부분은 연구팀이 이를 kg 단위로 대량 생산할 수 있다는 점입니다. 향후 산업 규모의 생산 가능성을 높여주는 이야기입니다.
연구팀이 개발한 폴리머 기반 고체 전극 (polymer-based solid electrolyte)은 과거 포름산 생산에 필요했던 소금의 존재를 더 이상 필요하지 않게 만들었습니다. 순수한 물만 사용할 수 있으므로 시스템의 수명과 이물질 제거의 필요성도 줄어듭니다. 테스트 시스템의 내구성은 매우 우수해 100시간 동안 작동해도 거의 열화가 일어나지 않았다고 합니다.
물론 실제 상용화 가능성은 더 연구가 필요한 부분이겠지만, 포름산을 이용한 에너지 저장 시스템이라는 점 자체가 흥미롭습니다. 과연 의미 있는 성과를 거둘지 주목됩니다.
참고
Chuan Xia et al, Continuous production of pure liquid fuel solutions via electrocatalytic CO2 reduction using solid-electrolyte devices, Nature Energy (2019). DOI: 10.1038/s41560-019-0451-x
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