처치 곤란 이산화탄소, 자원화 기술 가속
CCUS, 온실가스 감축 보조기술로 효용성 높아
CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage)는 최근 재생에너지 시장에서 가장 핫한 분야로 손꼽힌다. 폐기물로 취급받던 이산화탄소를 경제적 가치를 가진 자원으로 재활용할 수 있다는 매력 때문이다. 물론 기술적 한계로 경제성이 낮다는 지적도 받지만, 온실가스 감축목표 달성을 위한 가교기술 중 현재 CCUS가 가장 적정 기술이라는 점에 대해서는 이견이 없다. 이 분야에서 가장 앞선 기술을 보유한 미국은 CCUS를 국가전략기술로 채택하고 자국 내 이산화탄소 감축뿐만 아니라, 기술 선점을 통한 신시장 확보에 가장 적극적으로 움직이고 있다. 한국도 국가 온실가스 감축 목표 달성 수단이자 10대 기후기술 중 하나로 탄소자원화 기술을 포함해 실증사업을 추진 중이다. 이번 호에서는 국내 CCUS 기술 동향에 대해 소개한다.
글 김수진 자료제공 한국에너지기술연구원, KAIST, 한국과학기술연구원
미생물 전기합성 통해 CO₂가 바이오연료로
버려지던 이산화탄소를 바이오연료 및 고부가 화학물질로 전환하는 기술이 개발됐다. 한국에너지기술연구원은 광주바이오에너지연구개발센터 이진석 박사 연구팀이 전해전지(Electrolytic cell) 시스템과 미생물 대사 과정을 결합해 기존 바이오매스 기반의 생물학적 이산화탄소 전환 기술의 문제를 극복하고, 효율적으로 바이오연료 및 고부가 화학물질을 생산 할 수 있는 ‘e-바이오리파이너리 기술’을 개발했다고 지난 5월 밝혔다.
한국은 특성상 산이 많고 영토가 좁은 지형적 특성으로 바이오매스 확보가 불리하다. 또한 기존 생물학적 이산화탄소 전환은 광합성을 통해 생산된 유기물 또는 바이오매스를 당화과정 후 미생물 발효를 거쳐 바이오연료 또는 화학물질을 생산하는 방식으로, 복잡한 공정을 거쳐야 한다.
이에 이산화탄소를 직접 먹이로 활용해 미생물에 환원력을 제공하는 미생물 전기합성 바이오 융합기술이 새로운 방법으로 제시되고 있다. 기존 공정에서 활용되는 유기산, 당 등의 전자 공급자 역할을 전극으로 대체할 수 있고, 대사공학을 적용할 경우 이산화탄소를 환원시켜 유용한 바이오화학소재를 생산할 수 있기 때문이다. 하지만 현재 미생물 전기합성 기술은 전자를 내부로 받아들이는 효율이 낮고 이산화탄소 전환 속도가 현저히 떨어진다는 문제점이 있다.
연구진은 이를 극복하기 위해 전자와 이산화탄소를 제공한 조건에서 미생물 성장을 높이기 위해 환원전극의 전자전달 성능을 향상시켰다. 또한 생명공학기술을 활용, 미생물 개량과 고성능 이산화탄소 전환효소 및 가스 생물반응기 원리를 생물전기합성 시스템에 도입했다. 연구에 사용한 자색비황세균은 주변 환경에 따라 다양한 대사모드(광독립·종속영양, 화학독립·종속영양)를 선택할 수 있으며 탄소고정은 물론 질소고정도 가능한 균주다. 또한 이산화탄소로부터 전환된 생산물을 다양화해 바이오연료, 바이오폴리머 등 고부가 유용물질 생산이 가능할 것으로 기대된다.
연구진은 표면적이 넓은 탄소전극 표면과 미생물 세포벽 사이에 전자이동을 도와주는 매개체 물질을 연결시키거나, 미생물 세포벽에 분포하는 전자수용체의 성능을 개선해 전자흡수를 향상시키는 노력을 해오고 있다. 더불어, 이산화탄소로부터 전환되는 고부가 유용물질의 생산성을 향상시키기 위해 최적의 대사경로를 찾고 있다. 현재, 연구진은 현재 고성능 이산화탄소 전환 효소를 도입해 연속적으로 이산화탄소를 전환할 수 있는 시스템을 개발 중이고, 이 같은 기술을 조합해 궁극적으로는 신재생 전기 기반의 ‘e-바이오리파이너리 플랫폼’기술을 구축할 계획이다.
이 기술과 관련해 이진석 센터장은 “기존 바이오매스 기반의 바이오연료·화학소재를 생산하는 생물공정 기술의 한계를 극복하는 신개념 기술”이라며, 연구가 “성공적으로 수행될 경우 온실가스 저감과 관련된 분야에 큰 파급효과를 불러일으킬 것”이라고 기대했다. 이어서 그는 “특히 국내 바이오매스 수급 불균형 문제의 대안이 될 수 있을 것”이라고 했다.
e-바이오리파이너리 기술 개요
미생물 전기합성 시스템 모식도
CO₂, 고부가 물질 전환하는 비결
KAIST가 이산화탄소를 산업적 고부가 가치가 있는 다탄소화합물로 전환할 수 있는 실마리를 찾았다. KAIST 신소재공학과 오지훈 교수 연구팀은 이산화탄소 전기화학 환원반응 시 저렴한 중성 전해물(전해질)에서도 다탄소화합물을 선택적으로 생성할 수 있는 공정을 개발했다고 6월 3일 밝혔다.1)
오지훈 교수 연구팀은 중성 전해물을 사용해 구리(Cu) 촉매 층 내부의 이산화탄소 농도를 조절한 결과, 기존 공정과 비교해 각각 이산화탄소 전환율은 5.9%에서 22.6%로, 다탄소화합물 선택도는 25.4%에서 약 62%까지 대폭 높아진 공정과 촉매 층 구조를 개발했다.
이산화탄소를 전기화학적으로 환원 반응시키면 수소, 일산화탄소, 메탄 등 다양한 물질이 동시에 생성되는데 그중 2개 이상의 탄소로 구성된 다탄소화합물은 산업적으로 활용 가치가 높아 이에 대한 연구가 활발하다. 기존 연구들은 탄소화합물의 선택도를 높이기 위해 주로 알칼리성 전해물에 의존해 새로운 촉매 개발에 집중해왔다. 다만 알칼리성 전해물은 부식성과 반응성이 크기 때문에 이를 적용한 기존 공정은 유지비용이 비싸고 촉매 전극의 수명도 짧다는 단점이 있다.
연구팀은 오히려 역발상적으로 연구를 시작했다. 구리 촉매 층 내부의 이산화탄소 농도를 오히려 감소시킨것. 그 결과 성능이 떨어진다고 여겨왔던 중성 전해물이 기존 연구 성과를 뛰어넘는 고성능을 보였다. 특히 중성 전해물을 사용했음에도 불구하고 사용된 전극은 10시간이 넘도록 일정하게 높은 다탄소화합물의 선택도와 생성량을 유지했다.
연구팀은 또, 이산화탄소의 물질이동 모사 모델 결과를 활용해 구리 촉매 층의 구조와 이산화탄소 공급 농도, 유량을 제어한 결과, 촉매 층 내부의 이산화탄소 농도를 조절하는 데에도 성공했다. 그 결과 내부 농도가 최적일 때 다탄소화합물의 선택도가 높아졌다.
연구팀은 해당 기술이 실용화하면 ‘산업의 쌀’이라고 불리는 에틸렌이나 살균, 소독용이나 바이오 연료로 사용되는 에탄올, 화장품과 치과용 로션, 살균·살충제에 사용되는 프로판올 등을 생산하는 기존 석유화학산업 지형에 큰 변화를 불러올 것으로 예측했다.
이산화탄소 공급 유량에 따른 촉매 층 내부 이산화탄소 농도 제어 방법을 나타내는 모식도(위)와 촉매 층 내부 이산화탄소 농도와 다탄소화합물의 선택도 간의 관계를 나타내는 그래프(아래)
(a) 25℃, (b) 50℃, (c) 75℃의 온도에서 적층된 다양한 두께의 구리 촉매 층의 전자 주사 현미경 단면 이미지(위)와 각각에 해당하는 에너지분산형 분광분석 이미지(아래). 하단 이미지의 붉은 점은 구리 촉매 층을 나타낸다. (스케일 바: 5 ㎛)
다양한 촉매 층 구조에서 이산화탄소 공급 농도와 유량에 따른 (a) 다탄소화합물의 선택도와 (b) 이산화탄소 전환율을 나타낸 등고선 그래프. 별이 표시된 위치가 가장 높은 선택도와 전환율을 나타낸다. (c) 본 연구의 생성량에 따른 다탄소화합물의 선택도를 보고된 다른 연구 결과와 비교한 그래프, (d) 본 연구에서 최적화된 공정에서 전극의 안정성과 기존 공정에서의 안정성을 비교하는 그래프.
인공광합성 촉매로 CO₂, 화학연료 만들어
이산화탄소를 화학연료로 만드는 촉매 개발도 주목할 만하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진)은 청정에너지연구센터 오형석·이용희 박사 연구팀이 인공광학성 기술 분야 실용화에 문제점인 산소발생 전극 귀금속 사용량을 줄일 수 있는 기술을 개발했다고 지난 3월 밝혔다.
인공광합성 기술은 식물처럼 물과 햇빛, 이산화탄소를 이용해서 엽록소가 촉매제 역할을 해 수소와 산소로 변환시키는 과정을 인공적으로 만드는 기술이다. 이 기술은 이산화탄소를 흡수하여 청정에너지 및 부가가치를 갖는 화학 원료를 생산할 수 있어 큰 주목을 받고 있다.
이 기술의 상용화를 위해 식물의 엽록소 역할을 하는 효율 향상과 비용 절감이 필요하다. 효과적인 전기화학 촉매들이 연구되었지만 이 중에서도 이리듐 촉매는 안정적이면서도 성능이 좋아 최고의 산소 발생 촉매로써 널리 알려져 있다. 그러나 이리듐은 매장량과 생산량이 적고 가격이 비싸 최근의 연구들에서는 이리듐 사용량을 감소시키면서도 촉매 성능을 높이기 위한 연구들이 중점적으로 진행되고 있다.
이리듐 사용량을 줄이기 위한 가장 효과적인 방법은 값이 저렴한 금속 물질을 사용해 나노 크기의 이리듐 합금 촉매를 제조하는 것이다. KIST-베를린 공대 공동 연구진은 이리듐 사용량을 줄이기 위해 이리듐-코발트 합금 나노 입자를 제조해 코어로 활용하고 이리듐 산화물 껍질을 갖는 코어-쉘 구조의 나노 촉매를 개발했다.
연구진은 이러한 효과적인 촉매를 디자인하기 위해 다양한 실시간 분석법들을 활용했다. 실시간 X-선 흡수 분석법을 통해 코어-쉘 구조 촉매가 이리듐-산소 사이의 거리가 짧아 높은 성능을 보이는 구조임을 확인했다. 또한 전해질에 용해돼 손실되는 촉매의 양이 적어 내구성이 높음을 실시간 유도플라즈마 분석법을 통해 확인할 수 있었다. 연구진은 “실제 촉매가 반응하는 과정에서 얻었다는 점에서 의미가 있다”며 “이번 연구결과는 다양한 촉매 디자인에 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 개발된 촉매는 귀금속인 이리듐을 기존 촉매보다 20% 적게 사용하고도 31% 이상 높은 성능을 보였다. 그리고 실제적인 사용 가능성을 확인하기 위해 수돗물을 사용한 장기 테스트에서도 수백 시간 이상 성능을 유지하는 등 높은 내구성을 보였다.
또한 개발된 촉매를 실제 이산화탄소 전환 시스템에 적용한 결과 공정에 필요한 에너지가 반 이상 줄어들어 기존 이리듐 산화물 촉매를 사용했을 때와 같은 전압으로도 화합물을 두 배 이상 만들 수 있었다.
수돗물 기반 전기화학적 CO₂환원 전해 시스템 및 내구성 평가 결과. 내구성 평가 결과환원반응에는 물산화 반응(oxygen evolution reaction, OER)이 가장 널리 사용된다. 연구에서는 OER촉매로 이리듐 산화물을 사용했으며 귀금속 사용량을 줄이기 위해 코어-쉘 구조의 나노촉매를 개발했다. 그래프는 수돗물 활용 중성 조건에서 우수한 활성과 장기 안정성 테스트를 진행한 표
방사광 가속기 기반 실시간 X-선 흡수분석법 실험 장치. 개발된 촉매의 향상된 OER 활성은 방사광가속기 기반 실시간 X-선 흡수 분석법을 통해 전기화학 반응 중 촉매의 전자 구조를 관찰함으로써 설명할 수 있었다. 또한 실시간 유도플라즈마 분석을 통해 전극 촉매의 내구성을 정량화 하고 메커니즘을 분석했다.
오형석 박사는 “이리듐-코발트 합금 코어와 이리듐 산화물 쉘을 갖는 코어-쉘 나노 촉매를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 문제인 산소 발생 반응의 성능과 내구성을 크게 개선할 수 있었다”며 “전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 실용화에 크게 기여할 것은 물론 수소를 생산하는 수전해 시스템 및 다양한 전해 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화대응기술개발사업으로 수행된 이번 연구는 에너지 환경 분야 국제 저널인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ (IF: 14.229, JCR 분야 상위 0.962%)에 게재됐다.
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1) 탄잉촨 박사 후 연구원과 이범려 석사과정이 제1 저자, 송학현 박사과정 학생이 제2 저자로 참여한 이번 연구 결과는 셀프레스(Cell press)에서 발간하는 에너지 분야 국제 학술지 ‘줄(Joule)’ 5월호 편집자에게 높은 평가를 받은 특집논문(Featured article, 논문명 : Modulating Local CO₂ Concentration as a General Strategy for Enhancing C-C coupling in CO₂ Electroreduction)으로 게재됐다.
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