기본 콘텐츠로 건너뛰기

이산화탄소를 이용해 메탄을 만드는 그래핀 양자점 촉매



 (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






댓글

이 블로그의 인기 게시물

세상에서 가장 큰 벌

( Wallace's giant bee, the largest known bee species in the world, is four times larger than a European honeybee(Credit: Clay Bolt) ) (Photographer Clay Bolt snaps some of the first-ever shots of Wallace's giant bee in the wild(Credit: Simon Robson)  월리스의 거대 벌 (Wallace’s giant bee)로 알려진 Megachile pluto는 매우 거대한 인도네시아 벌로 세상에서 가장 거대한 말벌과도 경쟁할 수 있는 크기를 지니고 있습니다. 암컷의 경우 몸길이 3.8cm, 날개너비 6.35cm으로 알려진 벌 가운데 가장 거대하지만 수컷의 경우 이보다 작아서 몸길이가 2.3cm 정도입니다. 아무튼 일반 꿀벌의 4배가 넘는 몸길이를 지닌 거대 벌이라고 할 수 있습니다.   메가칠레는 1981년 몇 개의 표본이 발견된 이후 지금까지 추가 발견이 되지 않아 멸종되었다고 보는 과학자들도 있었습니다. 2018년에 eBay에 표본이 나왔지만, 언제 잡힌 것인지는 알 수 없었습니다. 사실 이 벌은 1858년 처음 발견된 이후 1981년에야 다시 발견되었을 만큼 찾기 어려운 희귀종입니다. 그런데 시드니 대학과 국제 야생 동물 보호 협회 (Global Wildlife Conservation)의 연구팀이 오랜 수색 끝에 2019년 인도네시아의 오지에서 메가칠레 암컷을 야생 상태에서 발견하는데 성공했습니다.   메가칠레 암컷은 특이하게도 살아있는 흰개미 둥지가 있는 나무에 둥지를 만들고 살아갑니다. 이들의 거대한 턱은 나무의 수지를 모아 둥지를 짓는데 유리합니다. 하지만 워낙 희귀종이라 이들의 생태에 대해서는 거의 알려진 바가 없습니다.  (동영상)...

9000년 전 소녀의 모습을 복원하다.

( The final reconstruction. Credit: Oscar Nilsson )  그리스 아테나 대학과 스웨덴 연구자들이 1993년 발견된 선사 시대 소녀의 모습을 마치 살아있는 것처럼 복원하는데 성공했습니다. 이 유골은 그리스의 테살리아 지역의 테오페트라 동굴 ( Theopetra Cave )에서 발견된 것으로 연대는 9000년 전으로 추정됩니다. 유골의 주인공은 15-18세 사이의 소녀로 정확한 사인은 알 수 없으나 괴혈병, 빈혈, 관절 질환을 앓고 있었던 것으로 확인되었습니다.   이 소녀가 살았던 시기는 유럽 지역에서 수렵 채집인이 초기 농경으로 이전하는 시기였습니다. 다른 시기와 마찬가지로 이 시기의 사람들도 젊은 시절에 다양한 질환에 시달렸을 것이며 평균 수명 역시 매우 짧았을 것입니다. 비록 젊은 나이에 죽기는 했지만, 당시에는 이런 경우가 드물지 않았을 것이라는 이야기죠.   아무튼 문명의 새벽에 해당하는 시점에 살았기 때문에 이 소녀는 Dawn (그리스어로는  Avgi)라고 이름지어졌다고 합니다. 연구팀은 유골에 대한 상세한 스캔과 3D 프린팅 기술을 적용해서 살아있을 당시의 모습을 매우 현실적으로 복원했습니다. 그리고 그 결과 나타난 모습은.... 당시의 거친 환경을 보여주는 듯 합니다. 긴 턱은 당시를 살았던 사람이 대부분 그랬듯이 질긴 먹이를 오래 씹기 위한 것으로 보입니다.   강하고 억센 10대 소녀(?)의 모습은 당시 살아남기 위해서는 강해야 했다는 점을 말해주는 듯 합니다. 이렇게 억세보이는 주인공이라도 당시에는 전염병이나 혹은 기아에서 자유롭지는 못했기 때문에 결국 평균 수명은 길지 못했겠죠. 외모 만으로 평가해서는 안되겠지만, 당시의 거친 시대상을 보여주는 듯 해 흥미롭습니다.   참고  https://phys.org/news/2018-01-te...

사막에서 식물을 재배하는 온실 Ecodome

 지구 기후가 변해가면서 일부 지역에서는 비가 더 많이 내리지만 반대로 비가 적게 내리는 지역도 생기고 있습니다. 일부 아프리카 개도국에서는 이에 더해서 인구 증가로 인해 식량과 물이 모두 크게 부족한 현상이 지속되고 있습니다. 이를 해결하기 위한 여러 가지 아이디어들이 나오고 있는데, 그 중 하나가 사막 온실입니다.   사막에 온실을 건설한다는 아이디어는 이상해 보이지만, 실제로는 다양한 사막 온실이 식물재배를 위해서 시도되고 있습니다. 사막 온실의 아이디어는 낮과 밤의 일교차가 큰 사막 환경에서 작물을 재배함과 동시에 물이 증발해서 사라지는 것을 막는데 그 중요한 이유가 있습니다.   사막화가 진행 중인 에티오피아의 곤다르 대학( University of Gondar's Faculty of Agriculture )의 연구자들은 사막 온실과 이슬을 모으는 장치를 결합한 독특한 사막 온실을 공개했습니다. 이들은 이를 에코돔( Ecodome )이라고 명명했는데, 아직 프로토타입을 건설한 것은 아니지만 그 컨셉을 공개하고 개발에 착수했다고 합니다.   원리는 간단합니다. 사막에 건설된 온실안에서 작물을 키움니다. 이 작물은 광합성을 하면서 수증기를 밖으로 내보네게 되지만, 온실 때문에 이 수증기를 달아나지 못하고 갖히게 됩니다. 밤이 되면 이 수증기는 다시 응결됩니다. 그리고 동시에 에코돔의 가장 위에 있는 부분이 열리면서 여기로 찬 공기가 들어와 외부 공기에 있는 수증기가 응결되어 에코돔 내부로 들어옵니다. 그렇게 얻은 물은 식수는 물론 식물 재배 모두에 사용 가능합니다.  (에코돔의 컨셉.  출처 : Roots Up)   (동영상)   이 컨셉은 마치 사막 온실과 이슬을 모으는 담수 장치를 합쳐놓은 것이라고 말할 수 있습니다. 물론 실제로도 잘 작동할지는 직접 테스트를 해봐야 알 수...