지구 온도를 높이는 ‘이산화탄소’를 없애는 동시에 ‘전기’와 ‘수소’를 생산하는 획기적인 시스템이 개발됐다. 기후변화를 막고, 에너지를 저장하며, 미래 에너지원을 확보하는 일석삼조의 기술로 주목받고 있다.
김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀은 이산화탄소를 활용해 전기와 수소를 생산하는 세계 최초의 기술인 ‘하이브리드 나트륨 금속–이산화탄소 시스템(Hybrid Na-CO₂ system)’을 개발했다. 이 시스템은 물에 녹인 이산화탄소를 활용하는 전지 시스템인데, 작동 과정에서 이산화탄소는 제거하고 전기와 수소를 생산한다.
김건태 교수는 “이산화탄소 배출량 증가로 인한 기후변화에 대응하기 위해 이산화탄소 활용 및 저장기술(CCUS)이 주목받고 있다”며 “화학적으로 안정적인 이산화탄소 분자를 다른 물질로 쉽게 전환하는 게 관건인데, 새로운 시스템에서 ‘이산화탄소의 용해’로 이 문제를 풀었다”고 설명했다.
하이브리드 나트륨-이산화탄소 시스템에서 반응이 일어나는 과정 모식도
인류가 배출한 이산화탄소 대부분은 바다가 흡수해 바닷물을 산성으로 바꾼다. 이 현상에 주목한 연구진은 이산화탄소를 물에 녹여 전기화학적 반응을 유도하는 아이디어를 냈다. 산성도가 높아지면 양성자(H⁺)가 많아져 전자(electron)를 끌어당기는 힘이 커지는데, 이를 이용해 전지 시스템을 만들면 이산화탄소를 제거하면서 전기도 생산할 수 있다고 본 것이다.
하이브리드 나트륨-이산화탄소 시스템은 연료전지처럼 음극(나트륨 금속)과 분리막(나시콘), 양극(촉매)로 구성된다. 다른 전지와 달리 촉매가 물속에 담겨 있으며, 음극과 도선으로 연결된 상태다. 물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작돼 이산화탄소는 사라지고, 전기와 수소가 만들어진다. 이때 이산화탄소의 전환 효율은 50%로 높다.
반응 원리는 크게 세 단계로 정리된다. 우선 물(H₂O)에 이산화탄소(CO₂)를 불어넣으면 ① 수소 이온 즉 양성자(H⁺)와 탄산수소 이온(HCO₃⁻)이 만들어진다. 양성자가 많아져 산성으로 변한 물은 ② 나트륨 금속에 있던 전자(e⁻)들을 도선을 통해 끌어당기면서 전자의 흐름, 즉 전기를 만든다. ③ 수소 이온(H⁺)은 전자를 만나 수소 기체(H₂)로 변한다. 마지막으로 음극에서 전자를 잃은 나트륨 이온(Na⁺)은 분리막을 통과해 탄산수소염(HCO₃⁻)과 반응해 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이 된다.
김정원 에너지공학과 석․박사통합과정 연구원(공동 제1저자)은 “이산화탄소의 전환 효율과 수소의 발생 효율을 정량 분석한 결과, 이산화탄소를 지속적으로 소모하면서 수소와 전기를 동시에 생산한다는 걸 입증했다”고 전했다.
▲[동영상] 이산화탄소를 불어넣으면 전극에서 수소가 발생하며, 전류가 흐른다. (뒤쪽 디스플레이에 전류 표시)
실제로 이 시스템은 전극의 손상 없이 1000시간 이상 작동되는 안정성을 보였다. 자발적인 화학반응을 유도해 이산화탄소 활용과 제거에 응용 가능할 전망이다.
김창민 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원(제1저자)은 “이산화탄소는 화학적으로 매우 안정해 화학구조를 깨고 다른 물질로 바꾸기 매우 어렵다”며 “이산화탄소를 물에 녹여서 활용하는 방법은 현실적인 CCUS 기술로 효율적인 편”이라고 설명했다.
김건태 교수는 “이번 연구는 단순히 새로운 이산화탄소 활용 시스템에 그치지 않고 더 많은 파생 연구로 이어질 것”이라며 “전해질과 분리막, 시스템 설계, 전극 촉매 등이 개선되면 더 효과적으로 이산화탄소를 줄이면서 수소와 전기를 생산할 수 있을 것”이라고 내다봤다.
이번 연구는 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수와 조지아공대(Georgia Institute of Technology)의 메이린 리우(Meilin Liu) 교수도 함께 참여했다. 연구결과는 세계적 과학저널 셀(Cell)의 자매지인 ‘아이사이언스(iScience)’ 11월 30일(금) 출판됐다.
<2018년 12월 11일(화) MBC 뉴스투데이 방송영상>
