[인더스트리뉴스 최용구 기자] 이산화탄소(CO2) 전환 공정의 상용화를 앞당길 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 연구진은 이산화탄소를 일산화탄소(CO)로 전환시키는 ‘음이온교환막’ 소재의 성능과 내구성을 극대화시켰다.
한국화학연구원(원장 이영국, 이하 연구원)은 이장용 박사와 한국과학기술연구원(원장 윤석진) 원다혜·이웅 박사가 속한 공동연구팀이 기존 대비 2배 이상의 일산화탄소 생산이 가능한 음이온교환막 소재를 개발했다고 24일 밝혔다.
연구원에 따르면 공동연구팀은 분자량을 키우는 기술에서 해법을 찾았다. 분자량이 큰 고분자 소재를 만든 뒤 음이온이 잘 통하는 화학적 특성을 더해 성능을 높였다.
일산화탄소는 알코올, 플라스틱 등 각종 화학제품의 기초물질인 핵심 원료다. 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 전기화학적 전환 공정은 차세대 CCU(이산화탄소 포집 및 활용) 기술로 주목받고 있다.
전기화학적 전환 공정의 핵심은 음이온교환막과 음극, 양극 소재의 성능이다. 음이온교환막은 음극의 이온을 양극으로 이동시키는 전해질을 일컫는다. 그만큼 음이온의 원활한 이동성 및 고온에서 버틸 수 있는 내구성 등이 요구된다.
학계에 의하면 현재 연구용으로 쓰이는 음이온교환막은 전량 해외 수입되고 있다. 다만 내구성이 떨어질뿐만 아니라 이온전도 효율이 낮다.
공동연구팀은 ‘고분자량화’ 기술을 활용했다. 이를 통해 ‘폴리카바졸계’ 고분자 소재를 구성하는 방식으로 음이온교환막 소재의 내구성을 키웠다. 실험 결과, 신규 개발 소재는 60℃의 구동 조건에서 150시간 동안 안정하게 작동했다.
‘테트라메틸이미다졸륨기’로는 이온전도도를 높였다. 연구팀은 유연한 나뭇가지 형태의 테트라메틸이미다졸륨기를 고분자 소재에 도입해 수산화음이온(OH-)의 이동을 원활하게 했다. 음극에서 생성된 수산화음이온이 양극으로 전달되는 흐름을 촉진시켜 이온전도도를 높였다.
이에 따라 일산화탄소 생산 성능은 2배 이상 개선됐다. 동일 조건 하에 진행된 실험에서 기존 소재가 생산한 일산화탄소 양은 약 1.6kg(하루 기준)였던 반면, 개발 소재로는 약 3.6kg가 생산됐다.
연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 신규 개발 소재와 기존 소재의 차이점을 이론적으로 규명했다.
이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ 2023년 4월호에 발표됐다. 한국화학연구원 이영국 원장은 “이번 기술 개발로 선진국과의 격차를 줄일 수 있을 것”이라고 기대했다.
