이산화탄소로 화학원료 만드는 장치 업그레이드

화학연구원-KIST, 세계 최고 음이온교환막 개발
일산화탄소 생산량 2.2배 증가… 내구성까지 향상

음이온교환막은 이산화탄소가 일산화탄소로 전환되는 전기화학 반응기의 핵심 화학소재다. 화학연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국화학연구원(KRICT) 이장용 박사팀과 한국과학기술연구원(KIST) 원다혜·이웅 박사팀이 이산화탄소를 유용한 화학 원료인 일산화탄소로 만드는 장치의 성능을 세계 최고로 끌어올릴 부품을 개발했다. 이 부품은 음이온교환막으로 기존의 해외 부품보다 일산화탄소를 2.2배 더 많이 만들어낼 수 있다. 또한 내구성도 향상돼 60도의 작동조건에서도 150시간 동안 안정적으로 작동했다.

연구진은 24일 "이번에 개발한 음이온교환막 소재가 향후 전기화학적 이산화탄소 전환 공정의 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 전망했다. 또한 유사한 전기화학 장치인 수전해, 연료전지 등에도 폭넓게 응용될 것이라고 내다봤다.

일산화탄소는 알코올, 플라스틱 등 다양한 화학제품의 기초물질로서, 중요한 산업원료다. 또 탄소중립 및 기후변화의 해결 방법 중 하나로 이산화탄소의 활용 기술이 주목받고 있다. 그 중 전기화학적 전환 공정은 에너지를 적게 소비하고 공정이 간단해 차세대 이산화탄소 포집 및 활용(CCU) 기술이다.

화학연구원-KIST 공동연구진이 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 장치의 음이온교환막을 개발했다. 화학연구원 제공

연구진은 전기화학적 이산화탄소 전환 공정의 음극·양극·음이온교환막 소재 중 음이온교환막의 성능을 높이는데 집중했다. 우선 분자량을 키우는 기술을 적용해 튼튼한 '폴리카바졸계' 고분자 소재를 만들고, 여기에 음이온이 잘 통과하는 화학적 특성을 부여했다.

1㎾의 전기로 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 장치에 새로운 음이온교환막을 장착해 테스트를 진행했다. 그결과 하루에 최대 약 3.6㎏의 일산화탄소를 생산해냈다. 기존 해외 소재를 적용하면 하루에 최대 약 1.6㎏을 만들뿐이다. 또한 기존 소재가 열적 안정성이 낮아 상온에서만 작동하는 것과 달리, 새로 개발한 소재는 60도에서도 150시간 동안 안정적으로 작동했다.

연구진에 따르면, 일반적으로 고분자 소재는 분자량이 클수록, 즉 사슬처럼 반복적으로 연결된 분자 덩어리가 클수록 내구성이 좋다. 이를 '고분자량화 기술'이라고 하는데, 연구진은 화학연구원만의 특허 보유 기술로 음이온교환막의 소재를 튼튼하게 만들었다.

또 연구진은 고분자 소재에 유연한 나뭇가지 형태의 화학구조를 가진 '테트라메틸이미다졸륨기'를 도입했다. 음극에서 만들어진 수산화음이온(OH-)이 양극으로 잘 이동하게 만들어 생산속도가 더 빠르게 된 것이다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 음이온교환막을 과학기술 분야 국제학술지 'ACS 에너지 레터스(Energy Letters)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자