지구에서 탄소가 순환하는 원리에서 아이디어를 얻어 이산화탄소 포집·활용(CCU)의 상용화 가능성을 높인 신기술이 국내에서 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST)은 오형석·이웅희 청정에너지연구센터 박사팀이 ‘가역적 실리카-수산화물 순환’을 통해 국소 수소이온농도지수(pH) 제어가 가능한 ‘은-실리카 혼합 촉매’를 개발했다고 23일 밝혔다. 연구성과는 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학’ 최신호에 표지논문으로 게재됐다.
지구는 탄산염과 규산염 순환을 통해 이산화탄소 양과 온도의 균형을 유지하는 탄소 순환 시스템을 갖췄다. 규산염 암석이 풍화하면서 발생한 용해된 실리카로 인해 탄산염 암석이 만들어지고 다시 화산활동을 통해 규산염 암석으로 바뀌는 순환 과정을 통해 이산화탄소가 조절된다.
연구팀은 이 같은 순환의 핵심에 실리카가 있음에 착안해 은-실리카 혼합 촉매를 개발했다. 기존 CCU에 쓰이는 은 촉매는 이산화탄소를 산업원료인 일산화탄소를 만드는 역할을 하지만 높은 전류 밀도에서 촉매 표면 입자들이 뭉치거나 엉기는 현상이 발생해 성능이 급격히 떨어지는 문제가 있다.
은-실리카 혼합 촉매는 실리카를 통해 은 촉매의 성능을 유지해준다고 연구팀은 설명했다. 반응 중 생성되는 수산화물 이온(OH-)이 실리카와 결합해 규산염 형태로 녹았다가 중성 조건에서 다시 석출되면서 pH를 조절한다. 이를 통해 촉매의 물리적 구조 변경 없이 화학적 접근 방식만으로도 전류 밀도가 높아지면서 발생하는 성능 저하 문제를 해결했다.
연구팀은 이 촉매가 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 활성도를 약 47% 높였다고 전했다. 향후 고효율 촉매의 대량생산을 위한 공정 최적화와 발전소, 석유화학 공장 등 산업시설에 적용을 위한 장기 내구성 검증 연구를 수행할 계획이다.
오 센터장은 “촉매의 가역성 향상 및 전기화학 시스템의 환경 제어 전략에 대한 방향성을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 전기화학 시스템의 실증 구축 및 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
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