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이산화탄소 제거하고, 전기+수소도 얻고UNIST, CO2 사용 전기·수소 생산하는 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’ 개발
윤한호 기자  |  et10@ecotiger.co.kr
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승인 2019.06.05  09:33:37
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울산과학기술원(UNIST, 총장 정무영) 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀은 이산화탄소를 사용해, 전기와 수소를 생산하는 ‘수계 금속(아연, 알루미늄)-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn or Al–CO₂System)’을 개발했다. 

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

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

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

CCUS(CO2 Capture, Utilization and Sequestration)는 산업시설 등에서 나오는 이산화탄소를 포집, 저장하는 기술과 이산화탄소를 다른 유용한 물질로 변환하는 기술을 포함하고 있다.

그런데 기체상태의 이산화탄소는 화학적으로 매우 안정적인 상태라서, 그 결합을 끊고 다른 물질로 변환하기 어려워, 세계 각 국은 효율적으로 이산화탄소를 전환하기 위한 연구에 집중하는 상황이다.

이번 연구는 이산화탄소를 물에 녹이면 손쉽게 다른 물질로 전환할 수 있다는 점에 착안했다.

   
▲ 수계 금속(아연, 알루미늄)-이산화탄소 시스템 모식도.물속에 불어넣은 ① 이산화탄소의 자발적인 용해 반응과 양극 전극에서 일어나는 ② 수소 발생 반응, 음극에서 일어나는 ③ 금속(아연 및 알룸미늄) 산화 반응을 나타낸다.
이산화탄소가 물에 녹게 되면, 그 물은 수소이온(H)이 많아져 산성을 띠는 물이 되면서,전자(electron)들이 이동하면서 전기 에너지가 만들어지는 것이다.

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

‘이산화탄소’를 제거하는 동시에 ‘전기’를 생산해 ‘수소’까지 얻는 이번 기술은 지난해 본 연구팀이 공개한 ‘나트륨 금속–이산화탄소 시스템(Hybrid Na-CO₂system)’보다 효율성과 안전성이 크게 향상됐다.

기존보다 저렴한 전극(금속)과 분리막으로 바꿔 가격을 낮추었을 뿐만 아니라, 폭발위험이 없어 안전하며 전기 출력과 수소 생산 속도도 크게 높아졌다.

UNIST 에너지 및 화학공학부 김건태 교수는 “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.

과학기술정보통신부는 본 연구결과가 국제적인 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)에 게재(’19.5.22.)됐으며, 과기정통부 기후변화 대응 기술 개발사업의 ‘Korea CCS 2020’ 사업의 지원을 받아 수행됐다고 밝혔다.

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