보도자료

2021. 1. 20 (수) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

‘탄소 중립’과 ‘수소’, 두 마리 토끼 잡는다!

UNIST 김건태 교수팀, 분리막 없어 더 간단한 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’ 개발
물에 녹은 이산화탄소로 수소와 전기 생산하는 독자 기술의 진화… Nano Energy 게재

온실가스인 ‘이산화탄소’를 없애는 동시에 ‘수소’와 ‘전기’를 더 쉽고 빠르게 생산하는 새로운 시스템이 개발됐다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 김건태 교수팀은 시스템을 분리하는 멤브레인(분리막)이 필요 없는 ‘멤브레인 프리(Membrane-free) 수계 금속-이산화탄소 배터리’를 개발했다. 기존 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’과 달리 전극 분리막이 없어 제조 공정이 간단할 뿐만 아니라 한 종류의 전해질만으로 지속적인 동작이 가능하다.

김 교수팀은 선행연구를 통해 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’을 세계 최초로 개발한바 있다. ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’은 이산화탄소가 녹아 산성화된 물에서 자발적으로 발생하는 화학 반응을 통해 이산화탄소를 수소와 전기로 바꾸는 시스템이다.

이번에 개발된 ‘멤브레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리는(Membrane-free Mg-CO2 Battery)’은 음극(마그네슘 금속), 수계전해질, 양극(촉매)만을 필요로 한다. 수소 발생 효율(패러데이 효율)이 92%로 높을 뿐만 아니라 충전 반응에서 생성되는 산소와 염소도 유용하게 쓸 수 있다.

^*패러데이효율 (Faradaic efficiency): 반응을 일으키는 데 사용되는 전류를 100으로 두고, 원하는 반응에 사용된 전류가 그 중 얼마인지 측정하는 것을 말한다.

이산화탄소를 제거하는 동시에 유용한 자원을 생산하는 ‘이산화탄소 활용 및 저장기술(Carbon Capture, Utilization and Storage; CCUS)’이 주목받고 있다. 이산화탄소로 전기에너지를 생산하는 ‘금속-이산화탄소 전지’(Metal-CO2 Battery) 기술도 그 중 하나이다. 하지만 금속-이산화탄소 전지는 반응이 지속되면 전극에 쌓이는 고체생성물 때문에 전지용량이 떨어지는 단점이 있다.

김정원 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원(제1저자)은 “수계-금속 이산화탄소 시스템은 ‘금속-이산화탄소 전지’와 달리 반응 생성물이 기체와 이온 형태로 존재한다는 점에서 지속적으로 구동 가능한 효율적인 CCUS 기술”이라고 설명했다.

연구진이 개발한 멤프레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리 (Membrane-free Mg-CO2 Battery)는 음극(마그네슘 금속)과 수계 전해질, 양극(촉매)만 필요하다는 점에서 수소차 연료전지와 유사한 구조다. 하지만 연료전지와 달리 촉매가 물속(수계 전해질)에 담겨져 있으며 음극과 도선으로 연결돼 있다. 물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작돼 이산화탄소는 사라지고, 전기와 수소가 만들어진다.

전동협 동국대학교 기계시스템공학 교수는 “시뮬레이션 결과 멤브레인 프리(Membrane-free) 수계 금속-이산화탄소 배터리의 성능 저하 원인을 정밀하게 찾아 낼 수 있었다”며 “문제점의 정확한 진단을 통해 지금보다 향상된 이산화탄소 활용 배터리를 개발할 수 있을 것”이라고 전했다.

김건태 교수는 “제조 과정은 단순화하면서도 이산화탄소 활용도를 더 높인 ‘멤브레인 프리’ 기술로 수계 금속-이산화탄소 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라며 “이번 연구는 단순히 새로운 이산화탄소 활용 시스템 개발에 그치지 않고 더 많은 파생 연구로 이어질 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 동국대 전동협 교수와 뉴 사우스 웨일즈 대학교 (University of New South Wales)의 리밍 다이(Liming Dai) 교수가 함께 참여했다. 연구결과는 에너지 분야 세계적 권위지인 ‘나노에너지 (Nano Energy)’에 1월 4일자로 온라인 공개돼 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 한국동서발전, 과학기술정보통신부-한국연구재단 (NRF) 등 지원으로 이뤄졌다.

* 논문명: Indirect surpassing CO2 utilization in membrane-free CO2 battery

자료문의

대외협력팀: 김학찬 팀장, 양윤정 담당 (052) 217 1228

에너지화학공학과: 김건태 교수 (052) 217 2917

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

이산화탄소로 인한 기후변화 문제가 심각해짐에 따라 ‘이산화탄소 활용 및 저장기술(Carbon Capture, Utilization and Storage; CCUS)’이 주목받고 있다. 쓸모없이 버려지는 이산화탄소를 화학적으로 전환해 메탄올이나 유기 화합물, 플라스틱 같은 고부가가치의 생성물을 만들어내는 기술이다. 하지만 이산화탄소에 화학적 변환에 필요한 에너지가 너무 커서 실질적인 CCUS 기술이 활용되기는 어려웠다.

이산화탄소를 전기 에너지 생산에 활용하는 금속-이산화탄소(Metal-CO2 battery) 전지도 다각적으로 연구되고 있다. 하지만 전기 에너지를 생산하면서 고체 형태의 탄산염이 전극에 쌓이면서 방전 용량이 점점 줄어들고 안정성이 떨어진다는 한계점이 있다. 또 이 전지를 충전할 때는 이산화탄소가 재발생한다는 단점이 있다. 이에 따라, 이산화탄소를 활용하면서 제거할 수 있는 실용적이고 효율적인 CCUS 기술 개발이 필요한 상황이다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 ‘Membrane-free 수계 금속-이산화탄소 배터리 (Membrane-free Mg-CO2 battery)’를 새로운 이산화탄소 활용 및 저장 기술로 개발했다. 이 시스템은 기존의 수계 금속-이산화탄소 배터리와 달리, 멤브레인이 불필요한 시스템으로써 공정의 단순화 및 이산화탄소 활용 성능 향상을 이뤄냈다. 또한, 이산화탄소가 쉽게 수용액에 녹는 성질을 활용해 이산화탄소 활용도를 극대화함과 동시에, 수소 및 전기 에너지로 자원을 재활용할 수 있는 방안을 제시했다.

이산화탄소가 수용액에 녹으면 자발적인 화학반응으로 양성자(H+, proton)와 탄산수소이온(HCO₃-, bicarbonate ion) 형태로 존재하게 된다. 음극인 금속 (Mg(s))의 전기화학적인 산화 반응과 함께 양극에서는 양성자의 환원으로 인한 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction, HER)이 일어나게 되며 이때 환원되는 양성자는 이산화탄소의 용해로 생성된 양성자이다.

따라서 ‘화학반응(이산화탄소 용해 반응)’과 ‘전기화학반응(금속 산화 및 수소 발생반응)’을 통해 이산화탄소는 제거되고, 전기 에너지가 생산되고, 수소가 부산물로 생성된다. 전체 반응식은 다음과 같다.

* 화학 반응식: CO₂+ H₂O → H+ + HCO₃-

* 전기화학 반응식

Anodic reaction : (마그네슘) Mg → Mg2+ + 2e- (Eo = -2.37 V)

Cathodic reaction : 2H+ +2e- → H2(g) in neutral pH (Eo = -0.44 V)

이 시스템을 통하면 반응이 지속될수록 이산화탄소는 제거되고, 수소와 전기 에너지는 생산된다.

기존에 소개됐던 금속-이산화탄소 전지와 비교해도 장점이 월등하다. 앞서 서술한 바와 같이 금속-이산화탄소 전지에는 고체 탄산염에 의한 전극 막힘(Electrode Clogging) 현상이 나타났고, 충전할 경우 이산화탄소가 다시 발생했다. 이 때문에 전지 용량이 적고, 오랫동안 작동할 경우 안정성이 떨어진다.

반면 Membrane-free 수계 금속-이산화탄소 배터리에서는 반응생성물이 용해된 이온과 기체 형태의 수소라 전극이 막힐 염려가 없다. 또한, 기존 금속-이산화탄소 전지와 비교해서 월등히 높은 출력을 보이며, 이에 따른 수소 발생 속도 또한 굉장히 빠르다. 또한, 기존 수계 금속-이산화탄소 배터리와 달리 멤브레인이 불필요해 결과적으로 고밀도로 전류에서 지속적인 구동 및 이산화탄소 제거가 가능하며, 빠른 속도로 수소를 생산할 수 있다.

3. 기대효과

기존의 이산화탄소 활용 기술의 경우 CO₂를 직접 변환하는 과정에서 에너지 소모가 커서 효율성이 낮은 한계점이 있었다. 이번에 개발한 기술에 활용된 수계 전해질 용해 반응의 경우 자발적인 화학반응을 유도해 실질적인 CO₂ 활용과 저감 기술로 응용 가능할 것으로 전망된다. 더불어 이산화탄소를 제거하고 전기 에너지와 청정에너지 자원인 수소를 생산함으로써 미래 수소에너지 시대를 앞당기는 역할을 할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 패러데이효율 (Faradaic efficiency)

반응을 일으키는 데 사용되는 전류를 100으로 두고, 원하는 반응에 사용된 전류가 그 중 얼마인지 측정하는 것을 말한다.

2. 금속-이산화탄소 전지(Metal-CO₂ Battery)

금속과 이산화탄소를 활용해 전기를 생산하는 일종의 연료전지. 음극에 리튬·나트륨·마그네슘·알루미늄 등을 사용하고, 양극에는 전극 촉매 물질을 사용한다. 양극에서는 방전 과정에서 이산화탄소의 전기화학적인 환원을 통해 금속 탄산염을 형성시킨다. 이때 환원전극 표면에 고체 탄산염 생성물이 쌓여 활성 면적을 모두 뒤덮으면 방전이 더 이상 진행되지 않는다. 충전 과정에서는 탄산염이 다시 이산화탄소와 금속으로 재생되는 반응이 일어나며 사용된 전극 촉매에 따라서 충전 반응의 속도가 결정된다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 다양한 금속-이산화탄소 배터리 시스템 모식도 : 기존 선행 금속-이산화탄소 배터리 시스템(Organic Metal-CO2 battery)으로부터 현재까지 배터리 시스템의 발전 방향 가장 오른쪽이 이번에 개발한 멤브레인 (‘Membrane-free’ 금속-이산화탄소) 배터리임. 이산화탄소 활용 성능 및 가격 경쟁력이 향상되고 있음.

그림 2. Membrane-free Mg-CO2 battery 전기화학 성능 분석 및 이산화탄소 활용 및 수소 생산 효율 데이터 : (a) 최대 전력 생산량이 202.3 mA cm-2의 전기화학적 성능을 가지며, (c) 최대 출력의 경우 64.8 mW cm-2의 결과 값을 보임. 수소 전환 효율의 경우 평균 > 92 % 패러데이 효율을 가지는 것을 파악함.

그림 3. Membrane-free Mg-CO2 battery 모식도 및 생성물 : 실제 시스템 방전 후, 이산화탄소가 변환되어 탄산마그네슘(MgCO3)염 고체형태로 형성된 것을 확인 할 수 있음.

그림 4. Membrane-free Mg-CO2 battery를 활용한 충·방전 에너지 사이클 모식도

UNIST 홍보팀 news@unist.ac.kr

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‘탄소 중립’과 ‘수소’, 두 마리 토끼 잡는다!

UNIST 김건태 교수팀, 분리막 없어 더 간단한 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’ 개발물에 녹은 이산화탄소로 수소와 전기 생산하는 독자 기술의 진화… Nano Energy 게재

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UNIST 김건태 교수팀, 분리막 없어 더 간단한 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’ 개발
물에 녹은 이산화탄소로 수소와 전기 생산하는 독자 기술의 진화… Nano Energy 게재