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KIST, 불소 도핑 산화주석 촉매 적용 이산화탄소→개미산 전환기술 개발 2022-05-04
한음표 기자 hup@mtnews.net


▲ 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 오형석 박사 연구팀이 이산화탄소 자원화와 수소에너지 활용 분야의 시너지 효과를 유발할 수 있는 원천기술을 개발했다. 사진은 불소 도핑 산화주석 촉매가 적용된 CO2 전환 개미산 생산 및 활용 모식도



[기계신문] ‘2050 탄소중립’ 실현이라는 국가 발전전략의 흐름에 맞추어 ‘그린수소 생산 및 이산화탄소 전환’의 중요성이 커지고 있다. 이러한 그린수소의 생산과 이산화탄소 전환 반응을 연결하는 중요한 기술 중 하나가 바로 액상 전환물 생산 기술이다. 그린 수소 생산과 이산화탄소 전환을 상용화하기 위해서는 핵심 요소 기술인 액상 전환용 전극의 고성능화가 요구된다.


또한 이러한 성능 향상과 더불어 중요한 요소로 전극 물질의 장기 내구성이 있는데, 특히 반응이 나타나는 전압에서 전극 물질의 상변화 등으로 인해 성능의 감소가 심각하게 일어나는 경우가 빈번하다. 따라서 액상 전환에 대한 활성이 높으면서도 장시간의 운전 중 전극 물질의 변화가 적어 그 활성을 유지할 수 있는 전극 물질의 개발이 요구된다.


이런 가운데, 국내 연구진이 이산화탄소 자원화와 수소에너지 활용 분야의 시너지 효과를 유발할 수 있는 원천기술을 개발하는데 성공해 화제다.


한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 오형석 박사 연구팀이 불소 도핑 산화주석 촉매의 대용량 합성법을 통해 장시간 안정적으로 이산화탄소를 유용한 액상화합물(개미산)로 전환하는 기술을 개발했다.



▲ 불소 도핑 산화주석과 산화주속의 CO2 전환 반응 중 구조변화 모형



개미산은 포름산으로도 불리며 특유의 신맛과 세균억제, 수소이온지수 조절 효과 때문에 식품가공, 보존제, 염색제, 가소제, 제설제, 경화지연제 등 다양한 산업에서 활용되는 기초 화학원료다. 최근에는 친환경 생분해성 플라스틱의 원료로도 각광을 받고 있기도 하다.


현재 개미산은 대부분 화석연료의 열화학반응을 통해 생산되기 때문에 제조공정상 이산화탄소의 배출이 불가피하다. 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 직접 개미산으로 전환하게 되면 친환경적으로 생산이 가능하지만, 이를 위해 기체상태의 이산화탄소를 액체로 전환하기 위한 액상 전환용 전극 물질의 성능을 높이고 장시간 안정적으로 전극이 구동할 수 있도록 하는 내구성 확보가 필수적이다.


KIST 연구팀은 불소가 도핑된 산화주석이 일반 산화주석보다 이산화탄소 전환 촉매의 활성을 떨어뜨리는 금속화 경향이 낮다는 사실에 주목했다. 연구팀은 주석에 불소를 도핑하는 비교적 간단한 방법으로 높은 개미산 전환 활성을 안정적으로 유지하는 전극을 개발했다.



▲ 실시간 라만 분광법 측정 장비 모식도



이러한 방법으로 제작된 불소 도핑 산화주석 전극은 기존 상용 산화주석 전극에 비해 4배 이상 많은 개미산 생산량을 보였고, 일주일 이상의 장시간 반응에도 성능이 잘 유지되어 기존 전극 대비 반응내구성이 100배 이상 개선된 것을 확인했다.


한편, 개미산은 수소를 고가의 대형 특수용기가 아닌 제3의 물질과 결합시켜 저장, 수송하는 LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier)의 수소 저장물질로도 유력한 후보군 가운데 하나다. LOHC 기술의 핵심이 대용량의 수소를 저장할 수 있고, 외부 자극에 노출되어도 안정성이 유지되는 액상화합물의 확보인데 ,개미산이 이 같은 특성을 갖고 있기 때문이다.


연구팀이 개발한 기술을 적용할 경우 그간 약점으로 여겨졌던 친환경성과 경제성 문제를 한번에 해결할 수 있어서 암모니아 등 타 후보물질 대비 경쟁력을 재평가 받을 수 있을 것으로 기대된다.



▲ 디바이스 조건 실시간 경 X-선 흡수 분석법 모식도



KIST 오형석 박사는 “효율이 높은 전극을 개발함으로써 이산화탄소를 이용한 개미산의 대량생산이 지속적으로 가능한 생산 시스템을 구축할 수 있게 됐다”며 “이산화탄소 포집 및 활용 기술(CCUS)로서의 가능성뿐만 아니라 수소 저장체로도 가능성이 높은 개미산을 대량생산할 수 있는 일석이조의 기술이라고 설명했다.


또한 재생에너지 보급률이 높아지고 수소기반사회가 가속화될수록 경제성이 충분히 확보될 수 있으며, 향후 국가적 의무인 탄소중립에도 크게 기여할 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.


이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 ‘KIST 주요사업’, ‘Carbon to X 사업’ 및 국가과학기술연구회의 ‘창의형 융합연구사업’으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제저널 ‘Nature Communications’ 최신 호에 게재됐다.


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한음표 기자 hup@mtnews.net

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