UNIST 연구진이 이산화탄소를 고부가가치 화학물질인 포름산으로 전환하는 초저전압 시스템을 개발했다. 기존 대비 전력 소모는 4분의 1로 줄이면서 생산량은 3배 가까이 늘린 기술로, 탄소중립과 에너지 효율을 동시에 잡았다는 평가다.
울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 조승호 교수와 에너지화학공학과 권영국·이재성 교수팀은 이산화탄소를 포름산으로 바꾸는 초저전압 전기화학시스템을 개발했다고 12일 밝혔다.
이산화탄소에 전기를 가해 포름산으로 바꾸면 온실가스를 줄이면서 고부가가치 물질을 생산하는 1석 2조의 효과를 거둘 수 있다. 하지만 이 과정에서 막대한 전력이 낭비되는 문제가 있다. 짝반응인 ‘산소 발생 반응’의 비효율성 때문이다. 이산화탄소로 포름산을 만드는 반응시스템에서는 짝반응을 통해 산소가 나오는데, 이 산소 생산에 전체 전력의 70~90%가 쓰이고 시스템 구동 전압이 2V(볼트)까지 올라가게 된다.
연구팀은 문제의 산소 발생 짝반응을 포름알데히드 산화(FOR) 짝반응으로 대체한 시스템을 개발했다. 이 시스템은 0.5V의 낮은 전압에서도 양쪽 전극에서 높은 효율(음극 96.1%, 양극 82.1%)로 포름산을 생산할 수 있다. 시스템 구동 전압이 4분의 1 수준으로 낮아지면 전력 소모도 그만큼 줄어든다.
또 포름산 총생산 속도는 0.39 mmol/cm²·h를 기록했다. 이는 기존 시스템보다 3배 가까이 많은 양이다. 포름알데히드 산화 반응을 짝반응으로 쓰면 짝반응 전극에서도 산소가 아닌 포름산이 만들어지기 때문이다.
연구팀은 포름알데히드 산화 반응에 꼭 필요한 구리·은 복합 촉매를 새롭게 개발한 덕분에 이 같은 시스템을 만들 수 있었다. 포름알데히드 산화 반응에 쓰던 기존 촉매의 경우 활성이 급격히 떨어진다.
새 촉매를 이용한 포름알데히드 산화 반응은 암모니아, 과산화수소, 수소를 전기 없이 만드는 친환경 자가구동 시스템 개발에도 쓸 수 있다. 실제로 연구진은 이 포름알데히드 산화 반응을 질산염 환원 반응, 산소 환원 반응, 수소 발생 반응과 각각 결합해 암모니아, 과산화수소, 수소를 전기와 오염물질 배출 없이 생산해냈다.
조승호 교수는 “이산화탄소 전환 기술의 가장 큰 비효율을 없애고, 한정된 전기에너지를 최대한 활용할 수 있는 기술”이라며 “이산화탄소 전환 외에도 다양한 친환경 화학 공정 기술에 쓸 수 있는 만큼 환경 문제와 자원 순환 문제 해결에 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 신소재공학과 김효석 연구원, 장원식 박사, 이진호 박사, 에너지화학공학과 이호정 연구원이 제1저자로 참여했다.
연구 결과는 종합화학 분야의 저명 국제 학술지 ‘앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)’에 10월 1일 자로 온라인 공개됐으며, 표지 논문으로도 선정돼 정식 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 UNIST 이노코어(InnoCORE) 프로그램과 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.
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