(University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering researcher Reginaldo Gomes, Ph.D.'25, is the first author on a new study from the lab of Asst. Prof. Chibueze Amanchukwu that modeled a system that can simultaneously capture and convert CO₂. Credit: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich)
공장과 발전소 등에서 나오는 많은 양의 이산화탄소를 유용한 물질로 바꾸기 위한 연구는 꽤 활발히 진행되고 있습니다. 문제는 지금까지 경제성을 확보하기 힘들어 연료나 혹은 석유 화학 제품과 유사한 제품으로 바꾸는 일 자체는 가능한데, 산업화하기 쉽지 않다는 것입니다.
이산화탄소 변환 공정을 대량 양산에 적합하고 경제적으로 만들기 위해서는 공정을 단순화하고 촉매 등 들어가는 물질을 최대한 저렴하게 만들어야 합니다. 시카고대학교 프리츠커 분자공학대학원(UChicago PME)과 미국 에너지부 산하 아르곤 국립연구소의 과학자들은 이 문제에서 중대한 돌파구를 찾았다고 발표했습니다.
시카고대학교 분자공학과 치부제 아마추쿠 교수 (Chibueze Amanchukwu, Neubauer Family Assistant Professor of Molecular Engineering at UChicago PME)와 본래 연구실에서 박사 과정을 마친 후 현재는 아르곤 국립 연구소의 박사 후 연구원이 된 레지날도 고메스 (Reginaldo Gomes)는 이산화탄소를 포획하기 위해 물에 넣은 후 다시 화학 반응을 위해 이를 배출하는 방식이 문제가 있다고 보고 연구를 진행했습니다.
흔히 사용되는 아민 (amine) 용액의 경우 아민 분자 두 개가 한 개의 이산화탄소 분자를 포획해 효율성이 떨어질 뿐 아니라 수소를 만드는 부반응 (side reaction)을 통해 에너지를 낭비해 경제성을 떨어뜨리는 문제점이 있었습니다. 여기에 온도를 섭씨 150도까지 높여야 했습니다.
연구팀은 이산화탄소 포획을 위해 굳이 물을 사용할 필요가 없고 반응 단계도 두 단계일 필요가 없다는 사실을 발견했습니다. 연구팀은 산업용 용매로 널리 사용되는 DMSO(Dimethyl Sulfoxide, 디메틸 설폭사이드)로 대체해 이산화탄소를 포획했습니다. 그러자 아민 분자 한 개당 이산화탄소 분자 한 개가 포획되어 흡수량이 크게 늘어났습니다. 더구나 물에서 발생하는 경쟁적 화학 반응으로 인한 손실도 없이 실제 흡수량은 세 배로 증가했습니다.
여기에 수소 생성 부반응이 줄어들기 때문에 더 중요한 이득이 발생합니다. 수소 생성에 대한 저항성 때문에 수계 포집 방식에 사용되는 은 촉매를 은보다 훨씬 저렴하고 지구상에 풍부하고 저렴한 금속인 아연으로 교체할 수 있게 된 것입니다. 연구팀은 이 방법이 단지 저렴한 것만이 아니라 생각보다 효율도 훨씬 높다는 사실을 발견했습니다.
실험실 조건에서 순수한 CO₂를 사용했을 때, 아연 촉매는 포집된 CO₂를 주요 산업 원료인 일산화탄소로 전환하는 데 78%의 효율을 달성했습니다. 하지만 탄소 포집 기술의 핵심적인 검증은 실험실에서 순수한 CO₂만을 사용했을 때가 아니라 실제 산업 배기가스 환경에서 제대로 작동하는지 여부입니다. 연구팀은 산소가 포함된 모의 배기가스 혼합물을 사용하여 시스템을 테스트했는데, 여기서 최대 43%의 효율을 달성했습니다 . 이 수치는 훨씬 덜 까다로운 조건인 순수한 이산화탄소 환경에서 은을 사용하는 최첨단 수계 시스템이 달성하는 효율과 동일합니다.
물론 실제 산업 현장에서 적용하기 위해서는 아직 풀어야할 숙제가 많이 남아 있습니다. 반응 속도를 더 빨리 높여야 하고 오랜 시간 작동할 수 있다는 점을 증명해야 하며 마지막으로 이렇게 했을 때 실제로 가격 경쟁력이 있다는 점을 검증해야 합니다. 다만 나름 유망한 기술로 연구팀은 현재 특허 출원 중이고 산업체로부터 연락을 받았다는 이야기를 덧붙였습니다. 이 연구는 네이처 에너지에 실렸습니다.
실제 의미있는 돌파구를 만들 수 있을지 궁금합니다.
참고
https://techxplore.com/news/2026-04-triples-capture-ditches-silver-zinc.html
Reginaldo J. Gomes et al, Reactive CO2 capture via controlled amine speciation in non-aqueous electrolytes, Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02035-4
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