(Abstract illustration of atoms passing through water and an electrified membrane under a shining sun. Credit: Meenesh Singh)
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.
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.
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.
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.
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.
참고
https://phys.org/news/2022-09-breakthrough-discovery-carbon-capture-conversion.html
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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