이산화탄소를 자원으로 전환하는 기술은 전해 시스템을 이용해 이산화탄소를 석유화학 공업의 기본 원료인 메탄, 에틸렌, 에탄올, 또는 일산화탄소 등으로 전환하는 기술이다.
2015 파리 기후변화 협약에 따라 이산화탄소 감축 요구가 늘어나면서 미국 유럽 등 선진국에서 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다.
하지만 기존 전해 시스템은 이산화탄소로부터 원하는 물질로 전환하는 효율이 낮아 상용화를 위해서는 효율 및 생산성을 높이는 것이 시급하다.
그동안 전해질 속 알칼리 금속 양이온의 크기가 효율에 영향을 미칠 수 있다는 사실이 알려진 바 있으나, 원인규명이 이뤄지지 못했다.
연구팀은 전해질에 포함된 알칼리 금속 양이온의 종류에 따라, 이산화탄소 전환 효율이 달라지는 현상을 실험적·이론적으로 최초로 규명했다.
이산화탄소의 전기화학적 전환을 위해서는 전극(촉매)가 필요한데, 일반적으로 금, 은, 구리 등이 사용된다. 금과 은 촉매를 쓸 경우 이산화탄소로부터 일산화탄소와 수소를 생성할 수 있고, 구리 촉매를 쓰면 탄화수소와 알코올을 생성할 수 있는데, 전해질의 알칼리 금속 양이온의 크기에 따라 최종 생성물질의 생산량이 달라지는 것을 확인했다.
전해질에 포함된 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 등 알칼리 금속 양이온의 크기가 증가할수록 가수분해 현상을 활성화하며 이는 전극 표면의 수소이온농도(pH)가 상승하는 것을 완화해 이산화탄소 환원 효율을 높일 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.
연구팀은 구리 촉매를 이용했을 때 큰 양이온인 세슘을 선택할 경우 작은 리튬 양이온을 선택한 경우보다 동일 전압에서 40배 많은 에틸렌과 에탄올 생산량을 나타냈다고 밝혔다. 은 촉매의 경우, 세슘 양이온을 사용하면 리튬 양이온을 사용한 경우보다 동일 전압에서 약 4배 높은 일산화탄소 생성량을 나타냈다.
권영국 박사는 “전기화학 촉매반응에서 양이온이 미치는 영향을 근본적으로 이해할 수 있게 됐다”면서 “특히 전기화학을 이용한 이산화탄소 전환 및 이를 통한 연료 생성 기술의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구성과는 미국화학회지 9월 14일자에 게재됐다.
대덕=구본혁기자 nbgkoo@sedaily.com
