(University of Cincinnati chemical engineering student Tianyu Zhang holds up a vial of graphene used as a catalyst to convert carbon dioxide into methane. Credit: Andrew Higley/UC Creative)
(An experimental reactor uses graphene quantum dots as a catalyst to convert carbon dioxide into methane. Credit: Andrew Higley/UC Creative)
이산화탄소를 이용해서 합성 연료나 기타 유용한 물질로 변환하기 위한 연구가 한창입니다. 온실가스 감축을 위해 이산화탄소를 분리해서 다시 매립하는 방식은 상당한 비용과 에너지를 필요로 합니다. 따라서 이산화탄소를 다른 유용한 분야에 자원으로 재활용해 비용을 회수하고 온실가스도 줄일 수 있다면 일석이조가 될 것입니다.
신시네티 대학의 징제 우 교수(UC College of Engineering and Applied Science assistant professor Jingjie Wu)가 이끄는 연구팀은 이산화탄소를 바로 메탄 가스로 변환시키는 효율성 높은 촉매를 개발했습니다. 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄을 얻는 사바티에 반응 (Sabatier reaction)은 이미 19세기 말에 알려졌습니다. (CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O)
과학자들은 사바티에 반응을 이용하면 수소와 이산화탄소를 이용해 수소보다 저장과 수송이 용이한 메탄을 얻을 수 있다는 점에 주목했습니다. 하지만 사바티에 반응을 위해서 고온 고압 환경이 필요하기 때문에 에너지 소모가 일어나고 수율이 생각보다 높지 않다는 문제점이 있었습니다. 더구나 촉매에 따라 메탄 이외에 다른 탄화수소가 생산되는 경우도 있었습니다.
연구팀이 개발한 그래핀 양자점 (graphene quantum dot) 촉매는 선택적으로 메탄만 생성할 뿐 아니라 효율도 70% 정도로 높다는 장점이 있습니다. 하지만 연구팀이 그리는 미래는 단순히 이산화탄소의 자원화가 아닙니다. 연구팀이 주목하는 응용 분야는 바로 우주 개발입니다.
이 방법을 이용하면 우주 비행사가 내쉬는 이산화탄소와 물만 있으면 우주선이나 우주 정거장에서 메탄 연료를 합성할 수 있습니다. 그리고 대기의 대부분이 이산화탄소인 화성에서 물만 확보할 수 있다면 저장이 용이한 메탄 연료를 대량으로 생산할 수 있습니다.
물론 상용화는 아직이지만, 화성의 대기를 이용한 연료 생산은 현재 기술로도 충분히 가능한 일입니다. 효율이 높고 메탄만 선택적으로 생산할 수 있는 촉매가 있다면 상당한 도움이 될 것으로 기대됩니다. 참고로 연구팀은 메탄 대신 에틸렌 같은 다른 물질을 생산할 수 있는 그래핀 양자점 촉매도 개발 했습니다. 앞으로 응용이 기대되는 분야 중 하나입니다.
참고
https://phys.org/news/2021-09-carbon-dioxide-reactor-martian-fuel.html
Tianyu Zhang et al, Regulation of functional groups on graphene quantum dots directs selective CO2 to CH4 conversion, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25640-1
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