'지구온난화' 주범 이산화탄소로 전기·수소 만든다

UNIST 연구진 성과…'앙게반테 케미'에 발표

수계 금속-이산화탄소 시스템 개발

국내 연구진이 물에 녹인 이산화탄소를 사용해 전기와 수소를 생산하는 시스템을 만드는 데 성공했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀은 이산화탄소를 사용해 전기와 수소를 생산하는 '수계(물 기반의 전해질) 금속-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn or Al–CO₂System)'을 개발했다고 4일 밝혔다.

이 시스템은 물에 녹인 이산화탄소로 작동하는 일종의 전지로, 전기화학 반응 과정에서 기후변화의 주범인 이산화탄소를 제거하고 전기와 수소를 생산하게 된다.

전세계적으로 기후변화 문제가 대두됨에 따라 이산화탄소 저감을 위해 이를 포집·활용·저장하는 기술(CCUS) 개발이 활발히 진행되고 있다.

그러나 기체 상태의 이산화탄소는 매우 안정적인 상태로, 결합을 끊고 다른 물질로 변환시키기가 어려웠다.

이번 연구는 이산화탄소를 물에 녹이면 손쉽게 다른 물질로 전환할 수 있다는 점에 착안했다. 실제로 바다는 대기 중의 이산화탄소를 30% 가량 흡수할 정도로 이산화탄소는 물에 쉽게 녹아든다. 

 

수계금속-이산화탄소 시스템의 모식도와 원리.[사진=UNIST]

물(H₂O)에 이산화탄소(CO₂)를 불어넣으면 수소 이온 즉, '양성자(H⁺)'와 '탄산수소염(HCO₃⁻)'이 만들어진다. 양성자가 많아져 산성으로 변한 물은 아연 및 알루미늄 금속에 있던 전자(e⁻)들을 끌어당기면서 전기를 만든다. 수소 이온은 전자를 만나 수소 기체(H₂)로 변한다.

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

UNIST 연구진은 지난해 '나트륨 금속-이산화탄소 시스템'을 발표한 바 있다. 이번에 발표한 '수계 금속-이산화탄소 시스템'은 기존보다 저렴한 아연과 알루미늄을 사용해 비용은 낮추고 안정성은 향상시켰다.

김건태 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수는 "이 시스템은 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 말했다.

이번 연구는 과기정통부의 기후변화 대응 기술 개발사엄인 'Korea CCS 2020'의 지원을 받았으며 국제적인 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'에 게재됐다.