이산화탄소를 더 유용한 물질로 바꾸기 위한 노력

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 이산화탄소​를 더 유용한 물질로 바꾸기 위한 연구가 한창 진행 중입니다. 이산화탄소의 대기 중 농도가 급격히 증가하면서 온실효과가 강해지는 것이 큰 문제로 대두되고 있기 때문입니다. 이산화탄소를 좀 더 유용한 물질로 생산할 수 있다면 이산화탄소의 배출량도 줄이고 유용한 물질도 생산할 수 있기 때문에 이런 연구가 여러 곳에서 진행 중입니다. 그중에서 오늘 소개할 이야기는 두 가지입니다.

 첫 번째는 미국 화학학회(250th National Meeting & Exposition of the American Chemical Society (ACS))에서 발표된 내용으로 저렴한 비용으로 대기 중의 이산화탄소를 카본 나노파이버로 바꿀 수 있다는 내용입니다.

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 연구의 리더인 조지 워싱턴 대학의 스튜어트 리흐트 박사(Stuart Licht, Ph.D)는 이를 하늘에서 온 다이아몬드(diamonds from the sky)라고 표현했는데, 대기 중 이산화탄소를 다이아몬드와 같은 성분의 유용한 물질(즉 탄소)로 바꿨기 때문입니다. 카본 나노파이버는 다이아몬드는 아니지만, 매우 단단하고 가벼워서 터빈 블레이드나 항공기 소재 등 다양한 분야에 사용될 수 있습니다.

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(카본 나노튜브. Researchers are generating carbon nanofibers (above) from CO₂, removing a greenhouse gas from the air to make products. Credit: Stuart Licht, Ph.D. )

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​ 연구팀은 이산화탄소를 전해질 셀에 녹인 후 니켈/철 전극을 통해서 카본 나노파이버를 만들었습니다. 그런데 여기에는 에너지가 들어갑니다. 이 에너지를 공급하는 것은 집중식 태양 에너지 시스템(concentrating solar-energy system)입니다. 이 시스템은 태양 전지로 필요한 전력을 제공하고 반응에 필요한 열을 제공한다고 합니다.

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 이렇게 하면 매우 저렴한 가격에 이산화탄소를 카본 나노파이버를 만들 수 있다는 것이 연구팀의 주장인데 현실적으로 가능할지는 역시 좀 더 검증이 필요할 것으로 생각됩니다. 아무튼 연구팀의 추산으로는 카본 나노파이버 톤당 1000달러 수준까지 가격이 내려갈 수 있다고 하는데 실제로 그렇다면 가격 경쟁력을 확보할 가능성도 있습니다.  

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 두 번째는 캘리포니아 공과대학과 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory )의 연구자들이 개발한 것으로 이산화탄소를 원료로 일산화탄소를 만드는 방법입니다. 이산화탄소에서 산소 하나를 뺀 일산화탄소가 과연 유용한 원료인지는 의문이 들 수도 있지만, 사실 생각보다 쓸모가 많은게 일산화탄소입니다. 특히 이를 수소와 반응시키면 합성 연료를 만들수 있습니다. 즉, 석유를 역으로 생산하는 것이죠.

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 이들이 저널 사이언스에 발표한 내용은 포르피린 계열 촉매를 이용하는 방법입니다. 포르피린(porphyrin)은 각종 촉매로 널리 활용되고 있는데, 코발트를 넣은 포르피린 촉매는 이산화탄소를 일산화탄소로 분해하는 촉매로 이전부터 알려져 있었습니다. 문제는 효율이 극도로 낮다는 것이었습니다.

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 연구팀은 covalent organic framework (COF)라는 방식을 이용해서 반응에 참가할 수 있는 이산화탄소의 수를 크게 늘렸습니다. 이는 마치 이산화탄소를 촉매의 망에 거르는 것과 비슷한 효과를 낼 수 있다고 합니다. 덕분에 이전에 비해 효율이 60배나 증가했다고 합니다.

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 이 새로운 촉매는 이산화탄소를 효과적으로 일산화탄소로 변환시켜 다음 반응에 사용될 원료로 만들어 줍니다.

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( SEM image of COF-366-Co. Credit: Science DOI: 10.1126/science.aac8343 )

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 비슷한 연구는 이전에도 여러 차례 소개드린바 있는데, 일부 상용화를 위한 시도가 있기는 하지만 아직은 연구 단계라고 하겠습니다. 하지만 필요는 발명의 어머니라고 이렇게 많은 시도가 진행되면 뭔가 성과가 나오지 않을까 하는 기대도 해봅니다.   

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 참고

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   http://phys.org/news/2015-08-diamonds-sky-approach-co2-valuable.html

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​  http://phys.org/news/2015-08-porous-material-co2-carbon-monoxide.html

​                                        Covalent organic frameworks comprising cobalt porphyrins for catalytic CO2 reduction in water, Science DOI: 10.1126/science.aac8343