CO2를 유용한 연료 및 화학 물질 로 전환

UCF(University of Central Florida)의 한 연구원은 이산화탄소(CO2)를 포집하여 가치 있는 연료 및 화학 물질로 변환하여 CO2 배출이 환경에 미치는 영향을 완화할 수 있도록 설계된 혁신적인 기술을 개발했다. UCF의 NanoScience Technology Center의 부교수인 Yang Yang은 주석 산화막과 불소 층으로 구성된 미세 표면을 활용하는 장치를 개발했다. 이 표면은 기체 CO2를 포집하는 데 중요하며, 이 CO2는 기포 전극을 통해 처리되어 가스를 제조에 널리 사용되는 일산화탄소와 포름산(두 가지 필수 화학 물질)으로 선택적으로 변환한다.

'미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 발표된 최근 연구에 자세히 설명된 이 기술은 전 세계 탄소 발자국을 줄이는 동시에 대체 에너지원 생산에도 기여할 수 있다.

"우리는 더 좋고 깨끗한 세상을 만들기 위해 더 나은 기술을 만들고 싶다"고 양 대표는 개발 동기를 밝혔다. "이산화탄소가 너무 많으면 지구에 온실 효과가 나타나고 지구가 매우 빠르게 뜨거워질 것입니다. 이것이 우리가 이 새로운 물질을 개발하여 우리가 사용할 수 있는 화학 물질로 변환하려는 동기입니다." 이 CO2 포집 장치는 발전소, 산업 현장 또는 화학 생산 시설에서 구현될 수 있으며, 여기에서 배기 가스를 실제 제품으로 변환할 수 있다.

자연에서 받은 영감 

Yang은 장치의 디자인이 물을 밀어내는 소수성 표면으로 유명한 연꽃 식물에서 영감을 받았다고 설명했다. "과학자로서 우리는 항상 자연에서 배운다"고 그는 말했다. "우리는 동물과 나무가 어떻게 작동하는지 보고 싶습니다. 이 작업을 위해 우리는 연꽃에서 배웠습니다. 우리는 연꽃이 정말 소수성 표면을 가지고 있다는 것을 알고 있는데, 이는 표면에 물을 떨어뜨리면 물이 표면에서 빠르게 멀어진다는 것을 의미합니다. 우리는 또한 녹색 식물이 이산화탄소를 흡수하고 광합성을 통해 산소로 전환한다는 것을 알고 있습니다."

이 자연스러운 과정은 장치의 소수성 표면에 있는 물을 CO2 변환 반응에서 효율적으로 분리하여 물이 변환 과정을 방해하는 것을 방지하는 Yang의 설계에 영향을 미쳤다. 포집된 CO2는 전극을 통해 전달되고 자연 광합성보다 더 정밀하게 조정할 수 있는 프로세스를 통해 변환된다. 이 전기 촉매 CO2 환원 반응은 사용되는 특정 촉매 경로에 따라 CO2를 메탄올, 메탄, 에틸렌, 에탄올, 아세테이트 및 프로판올을 포함한 다양한 탄소 함유 화학 물질로 변환할 수 있다.

"우리는 공기 중의 이산화탄소 분자를 빠르게 잡아 화학 물질로 변환할 수 있는 더 나은 재료를 만들고 싶습니다"라고 Yang은 말했다. "우리는 공기 중의 이산화탄소 농도를 줄이고 액체 및 기체 상태로 전환하여 변환된 화학 물질과 필드를 다른 응용 분야에 직접 사용할 수 있습니다."

연구 과제 극복 

연구 중 직면한 주요 과제 중 하나는 액체 전해질의 CO2에 촉매 물질을 노출시킬 때 촉매 물질 표면의 물의 양을 제어하는 것이었다. 양 교수는 "재료 주변에 물이 너무 많으면 이산화탄소를 화학물질로 전환하는 대신 수소를 생산할 수 있다. 이는 전체 공정의 에너지 효율성을 감소시킵니다. 우리가 사용하는 재료는 표면에서 물을 밀어낼 수 있으므로 수소 형성을 피할 수 있으며 이산화탄소 환원 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이는 결국 거의 모든 전기를 반응에 사용할 수 있다는 것을 의미합니다."

더 큰 응용 프로그램을 위한 확장 

재조림에서 대규모 포집 기술에 이르기까지 CO2를 포집하고 전환하기 위한 노력이 전 세계적으로 계속됨에 따라 Yang은 자신의 장치가 시간이 덜 걸리고 비용 효율적인 실행 가능한 대안을 제공할 수 있기를 희망한다.

그는 "우리 공정에서는 태양 전지판이나 풍력 발전 단지에서 나오는 전기와 같은 간헐적인 전기를 사용할 수 있다"며 지속 가능한 에너지원을 시스템에 통합할 수 있는 잠재력을 강조했다.

이 기술의 토대는 약 3년 전 UCF에서 불소 강화 탄소를 활용한 연료 전지용 신소재를 개발한 Yang의 이전 연구에서 비롯된다.

이 연구는 더 큰 규모의 CO2 포집 방법을 향한 중요한 첫 걸음이라고 Yang은 설명했다. "이를 위해 우리는 근본적인 관점에서 우리의 개념을 검증했다. 우리는 원자로의 성능을 테스트했지만, 앞으로는 대규모 프로토타입에서 이산화탄소 농도를 얼마나 빨리 변환하고 줄일 수 있는지, 그리고 화학 물질이나 연료를 매우 빠르게 생성할 수 있는지 사람들에게 보여줄 수 있는 더 큰 프로토타입을 개발하고 싶습니다."