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이산화탄소를 100% 에틸렌으로 전환하는 신기술



 (Abstract illustration of atoms passing through water and an electrified membrane under a shining sun. Credit: Meenesh Singh)

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많은 과학자들이 이산화탄소를 좀 더 유용한 물질로 바꾸려는 연구를 진행하고 있습니다. 이산화탄소를 분리 포획하는 기술이 발전하고 있지만, 이렇게 얻은 이산화탄소를 유용하게 사용할 수 있는 방법이 별로 없어 처치 곤란한 이산화탄소가 자꾸 늘어나고 있기 때문입니다. 현재는 이를 지하 깊은 곳에 저장하고 있으나 결국 처리 비용이 발생하고 안전성에 대한 이슈도 생길 수 있습니다. 이산화탄소를 다른 유용한 물질을 만드는 데 원료로 사용할 수 있다면 이 문제를 극복할 수 있을 것입니다.

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일리노이 대학의 메네쉬 싱 (Meenesh Singh at University of Illinois Chicago)이 이끄는 연구팀은 이산환탄소를 100% 에텔렌 (ethylene)으로 변환할 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 탄소 두 개와 수소 네 개로 구성된 에틸렌은 매우 기본적인 탄화수소로 주로 다른 플라스틱 제품이나 화학물질을 생산하는 기본 재료 중 하나입니다. 따라서 에틸렌의 제조 과정에 상당한 화석 연료가 들어갈 뿐 아니라 매년 막대한 양의 이산화탄소를 내뿜고 있습니다. 구체적으로는 매년 1억6000만톤의 에틸렌을 제조하기 위해 2억6000만 톤이 이산화탄소가 배출되는 것으로 추정됩니다.

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따라서 이산화탄소를 이용해 에틸렌을 만드려는 연구가 여러 번 시도되었으나 변환율이 10% 수준에 불과해 산업적인 규모로 적용하기에는 무리가 있었습니다. 이런 공정을 거쳐 변환된 얼마 안되는 에틸렌을 다른 불순물과 분리 하는 과정 역시 상당한 에너지와 비용이 들어가 경제성 확보가 힘들었던 것입니다.

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연구팀은 절반 정도는 포획된 이산화탄소가 있고 나머지 절반은 물 기반의 액체가 있는 셀 (cell) 반응 용기에 전류를 흘려보내는 방식으로 이 문제를 극복했습니다. 전류가 흐른 촉매는 물에서 수소 원자를 뽑아 내고 이산화탄소에서는 탄소를 뽑아내 결합하면 C2H4의 구조를 지닐 수 있는 것입니다. 이번 연구에서 놀라운 점은 변환율이 100%에 달해 별도의 정제 과정이 거의 필요 없다는 점입니다. 따라서 상업적 대량 생산의 가능성을 높인 것으로 해석할 수 있습니다.

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물론 이 과정에는 상당한 양의 전기 에너지가 필요합니다. 하지만 이 전기를 태양 전지에서 얻는다면 좀 더 친환경적인 공정이 가능합니다. 연구팀에 따르면 태양 에너지를 이용할 경우 에너지 전환 효율은 4% 정도입니다. 높은 효율은 아니지만, 이산화탄소를 제거하면서 에틸렌 같이 유용한 물질을 만들 수 있다면 꽤 솔깃한 이야기입니다. 과연 상업화가 가능할지 궁금합니다.

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참고

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https://phys.org/news/2022-09-breakthrough-discovery-carbon-capture-conversion.html

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Aditya Prajapati et al, CO2-free high-purity ethylene from electroreduction of CO2 with 4% solar-to-ethylene and 10% solar-to-carbon efficiencies, Cell Reports Physical Science (2022). DOI: 10.1016/j.xcrp.2022.101053

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