(Illustration of a novel room-temperature process to remove carbon dioxide (CO2) by converting the molecule into carbon monoxide (CO). Instead of using heat, the nanoscale method relies on the energy from surface plasmons (violet hue) that are excited when a beam of electrons (vertical beam) strikes aluminum nanoparticles resting on graphite, a crystalline form of carbon. In the presence of the graphite, aided by the energy derived from the plasmons, carbon dioxide molecules (black dot bonded to two red dots) are converted to carbon monoxide (black dot bonded to one red dot. The hole under the violet sphere represents the graphite etched away during the chemical reaction CO2 + C = 2CO. Credit: NIST)
미국립표준 기술연구소 (NIST, National Institute of Standards and Technology)의 과학자들이 상온에서 이산화탄소를 일산화탄소로 바꿀 수 있는 새로운 촉매 기술을 개발했습니다. 화석 연료를 태울 때 발생하는 이산화탄소는 탄소 원자가 두 개의 산소 원자와 매우 단단하게 결합한 안정된 분자입니다. 따라서 이산화탄소를 반응시켜 다른 유용한 분자로 바꾸는 일은 상당히 많은 에너지원을 필요로 합니다.
현재 이산화탄소를 이용한 합성 연료 생산의 첫 단계는 이산화탄소에서 산소 원자 하나를 떼어내 일산화탄소로 만드는 것으로 이 과정은 적어도 섭씨 700도의 고온에서 촉매를 사용해야 합니다. 이 에너지를 공급하기 위해 태양열 같은 신재생 에너지를 사용하는 방법이 개발되긴 했지만, 아직은 갈 길이 먼 상태입니다.
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NIST의 레누 샤마(Renu Sharma)와 그 동료들은 알루미늄 나노 입자와 흑연 소재를 이용해서 상온에서 이산화탄소 -> 일산화탄소 반응을 유도하는데 성공했습니다. 연구팀은 흑연층 위에 있는 알루미늄 나노 입자에 전자를 물결처럼 이동시켜 localized surface plasmons (LSPs) 현상을 일으켰습니다. 전자빔을 이용해서 이 현상을 유도하는 데, 덕분에 높은 온도가 필요없습니다. 이 이야기는 이산화탄소 변환에 많은 에너지가 필요 없다는 이야기입니다.
다만 매우 작은 전자빔을 사용하기 때문에 반응 범위가 15-20nm에 불과하다는 것이 문제점입니다. 이는 작은 바이러스 입자 크기라서 상업적 대량 생산과는 거리가 먼 상태입니다. 상업화를 위해서는 많은 면적에서 안정적으로 반응을 유도해 경제적인 대량 생산이 가능해야 합니다.
이산화탄소를 이용해서 화석 연료와 유사한 합성 연료를 만들거나 다른 석유 화학 공업 제품과 유사한 제품을 만들 수 있다면 온실가스 배출을 크게 줄이는 것은 물론 새로운 부가가치를 창출할 수 있을 것입니다. 이산화탄소를 유용한 물질로 바꾸려는 시도가 이어지고 있는 만큼 이 가운데서 상업화의 돌파구가 열리기를 기대해 봅니다.
참고
https://phys.org/news/2020-11-room-temperature-conversion-co2-hydrocarbons.html
Endothermic reaction at room temperature enabled by deep-ultraviolet plasmons, Nature Materials, DOI: 10.1038/s41563-020-00851-x , www.nature.com/articles/s41563-020-00851-x
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