'지구온난화 주범' 이산화탄소 물에 녹여 전기·수소 만든다

[이데일리 이연호 기자] 국내 연구진이 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 제거하는 동시에 이를 활용해 전기와 수소를 생산하는 기술을 개발했다.

김건태 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수가 4일 경기도 과천시 관문로 과학기술정보통신부 브리핑실에서 이산화탄소를 녹여 전기와 수소를 생산하는 시스템인 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’ 개발과 관련한 브리핑을 하고 있다. 사진=과기정통부 나은별 주무관.

김건태 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수는 4일 경기도 과천시 관문로 과학기술정보통신부 브리핑실에서 열린 ‘수계 금속(아연, 알루미늄)-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn or Al-CO₂System)’개발 관련 브리핑에서 “이 기술은 이산화탄소를 더 빠르고 값싸게 줄이면서 수소와 전기를 생산할 수 있는 활용성 높은 세계 최초 기술”이라며 “실증 연구 수준에 빠르게 도달한 만큼 상용화 가능성도 높을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

수계(Aqueous)는 물 기반의 전해질을 사용했다는 의미로 이 시스템에서는 물에 수산화칼륨이나 수산화나트륨 등을 미량 녹여 전해질로 사용한다.

이 시스템은 물에 녹인 이산화탄소를 활용해 작동하는 일종의 전지다. 전기화학 반응 과정에서 기후변화의 주범인 이산화탄소는 제거되고 전기와 수소가 만들어지는 방식이다.

김 교수는 “이미 실증 수준에서 연구가 완료된 만큼 1년 내 상용화가 가능할 것으로 보고 있다”며 “이를 위해 현재 대기업 몇 곳과 협의를 진행하고 있다”고 말했다. 이어 그는 “주로 탄소 배출 허용치를 초과하고 있는 기업들이 수요기업이 될 것”이라고 전망했다.

지구온난화 등 기후변화 문제가 심각해짐에 따라 이산화탄소를 저감하기 위해 전세계적으로 이산화탄소를 포집·활용·저장하는 기술(CCUS) 개발이 활발히 진행되고 있다.

하지만 기체상태의 이산화탄소는 화학적으로 매우 안정적인 상태라 그 결합을 끊고 다른 물질로 변환하기 어려워 세계 각국은 효율적으로 이산화탄소를 전환하기 위한 연구에 집중하는 상황이다.

이번 연구는 이산화탄소를 물에 녹이면 손쉽게 다른 물질로 전환할 수 있다는 점에 착안했다. 이산화탄소가 물에 녹게 되면 그 물은 수소이온(H+)이 많아져 산성을 띠는 물이 되고 전자(electron)들이 이동하면서 전기 에너지가 만들어지는 것이다.

금속(아연, 알루미늄)-이산화탄소 시스템 개념도. 그림=UNIST.

이 시스템은 연료전지처럼 음극(아연, 알루미늄 금속)과 분리막, 양극(촉매)으로 구성된다. 다른 전지와 달리 촉매가 물속에 담겨 있으며 음극과 도선으로 연결된다.

전기가 만들어지는 과정에서 이산화탄소는 다른 물질(탄산수소칼륨)로 변환되는데 이 때 전환 효율은 57% 혹은 그 이상이 된다. 또 그 과정에서 수소도 생산되기 때문에 일석이조의 효과를 거둘 수 있다.

앞서 지난해 연구진이 공개한 ‘나트륨 금속-이산화탄소 시스템(Hybrid Na-CO₂system)’보다 효율성과 안전성이 크게 향상됐다는 평가다. 기존보다 저렴한 전극(금속)과 분리막으로 바꿔 가격을 낮췄을 뿐만 아니라 폭발위험이 없어 안전하며 전기 출력과 수소 생산 속도도 크게 높아졌다.

이 연구 결과는 과기정통부 기후변화 대응 기술 개발사업의 ‘Korea CCS 2020’ 사업의 지원을 받아 수행됐으며 국제적인 학술지 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)에 게재됐다.