기후 변화 잡고 에너지까지 만드는 신기술
기후 변화 잡고 에너지까지 만드는 신기술
  • 문현식
  • 승인 2018.12.12 08:35
  • 조회수 3178
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하이브리드 나트륨-이산화탄소 시스템에서 반응이 일어나는 과정 모식도. 출처: UNIST
하이브리드 나트륨-이산화탄소 시스템에서 반응이 일어나는 과정 모식도. 출처: UNIST

지구온난화의 가장 큰 원인으로 꼽히는 이산화탄소 배출을 줄이는 동시에 에너지원을 생산하는 획기적인 시스템이 나왔습니다. 기후 변화를 예방하면서도 에너지를 창출하고 미래 에너지원을 확보하는 '1석 3조' 기술입니다.

 

UNIST 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수팀은 이산화탄소를 활용해 전기와 수소를 생산하는 세계 최초의 기술을 개발했다고 밝혔습니다. '하이브리드 나트륨 금속-이산화탄소 시스템(Hybrid Na-CO₂ system)'이라고 부르는 이 기술은 물에 녹인 이산화탄소를 활용하는 전지 시스템입니다. 작동 과정에서 이산화탄소는 제거하고 전기와 수소를 생산합니다.

 

이산화탄소 용해 전후의 용액 pH 변화와 수소 발생반응 개시 전위 분석. 출처: UNIUST
이산화탄소 용해 전후의 용액 pH 변화와 수소 발생반응 개시 전위 분석. 출처: UNIST

인류가 배출한 이산화탄소 대부분은 바다가 흡수해 바닷물을 산성으로 바꿉니다. 이 현상에 주목한 연구진은 이산화탄소를 물에 녹여 전기화학적 반응을 유도하는 아이디어를 내놨습니다. 성도가 높아지면 양성자(H⁺)가 많아져 전자(electron)를 끌어당기는 힘이 커지는데, 이를 이용해 전지 시스템을 만들어서 이산화탄소를 제거하면서 전기도 생산한 것입니다.

 

반응 원리는 이렇습니다. 우선 물(H₂O)에 이산화탄소(CO₂)를 불어넣으면 양성자(H⁺)와 탄산수소 이온(HCO₃⁻)이 만들어집니다. 양성자가 많아져 산성으로 변한 물은 나트륨 금속에 있던 전자(e⁻)들을 끌어당기면서 전기를 만듭니다. 수소 이온(H⁺)은 전자를 만나 수소 기체(H₂)로 변합니다. 마지막으로 음극에서 전자를 잃은 나트륨 이온(Na⁺)은 분리막을 통과해 탄산수소염(HCO₃⁻)과 반응해 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이 됩니다. 

 

이산화탄소를 이용해 수소와 전기를 생산하는 전지 시스템을 개발한 UNIST 연구진. 왼쪽 위부터 시계 방향으로 김건태 교수, 주상욱 연구원, 김정원 연구원, 김창민 연구원. 출처: UNIST
이산화탄소를 이용해 수소와 전기를 생산하는 전지 시스템을 개발한 UNIST 연구진. 출처: UNIST

김건태 교수팀이 만든 시스템은 전극의 손상 없이 1,000시간 이상 작동했습니다. 김건태 UNIST 교수는 "이산화탄소 배출량이 증가하면서 이산화탄소 활용 및 저장기술(CCUS)이 주목받고 있다"며 "화학적으로 안정적인 이산화탄소 분자를 다른 물질로 쉽게 전환하는 게 관건인데, 새로운 시스템에서 '이산화탄소의 용해'로 이 문제를 풀었다"고 설명했습니다.

 

이번 연구는 단순히 새로운 이산화탄소 활용 시스템에 그치지 않고 더 많은 파생 연구로 이어질 전망입니다. 김 교수는 "전해질과 분리막, 시스템 설계, 전극 촉매 등이 개선되면 더 효과적으로 이산화탄소를 줄이면서 수소와 전기를 생산할 수 있을 것"이라고 예상했습니다.


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