이산화탄소로 에틸렌·합성가스 등 유용 화합물 생산성 높여

에너지연, 전기화학적 이산화탄소 전환기술 개발
생산성 2배 높고, 소비전력 30%, 생산단가 50% 줄여
철강, 석유화학, 정유 등 탄소 다배출 현장에 적용 가능
기후 변화의 주범인 '이산화탄소'를 플라스틱, 섬유·화학제품 원료 등 유용한 화합물로 전환할 수 있는 이산화탄소 전환기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원은 박기태 박사 연구팀이 이산화탄소를 에틸렌, 합성가스, 일산화탄소, 개미산 등으로 전환하는 효율을 2배 이상 높일 수 있는 '전기화학적 이산화탄소 전환기술'을 개발했다고 27일 밝혔다.

전기화학적 이산화탄소 전환기술은 물과 전기에너지를 이용해 이산화탄소를 화학연료나 유용한 연료로 바꾸는 친환경 CCUS(탄소 포집·저장·활용) 기술이다.

이산화탄소 전환 반응에 필요한 에너지를 줄이기 위해 전해액을 쓰는데, 이산화탄소가 전해액에 녹아 있으면 기체상태 때보다 훨씬 적은 에너지로 유용한 물질을 생산할 수 있다. 하지만, 전해액에 녹일 수 있는 이산화탄소의 양(용해도)이 너무 적어 생산성이 낮은 한계가 있다.

이를 해결하기 위해 최근 기체 상태의 이산화탄소를 전해액과 맞닿아 있는 촉매층으로 직접 공급하는 '기체확산 전극' 기술이 도입되고 있으나, 이 때도 전해액이 필요하다.

연구팀은 수증기를 불어넣는 방법으로 전해액을 대체했다. 수증기가 촉매의 표면에 맺혀 얇은 액체 막을 만들고, 여기에 기체 상태의 이산화탄소가 연속적으로 녹아 들어가 빠르고 효과적으로 반응을 일으킬 수 있다.

이 기술은 낮은 이산화탄소 용해도 문제와 전기저항으로 작용하는 전해액층을 제거해 '제로 갭 전극 구조'를 구현, 같은 전압 조건에서 기존 전해액 사용 기술에 비해 2배 이상 생산성이 높다.

또한 제품 생산에 소비되는 전력을 30% 이상 줄일 수 있고, 전해액뿐 아니라 전해액 사용에 따른 장치, 운전비용까지 줄여 제품 생산단가를 절반 수준으로 낮출 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

연구팀은 대전 본원에서 이산화탄소 포집 플랜트와 연계해 소형 파일럿 실증연구를 진행하고 있으며, 2025년까지 하루 1톤의 이산화탄소 처리 규모로 확대할 계획이다.

관련 기술은 지난 2월 플랜트 엔지니어링 전문기업인 성광이엔텍에 이전됐다.

박기태 에너지기술연 박사는 "전기화학적 이산화탄소 전환기술의 경제성과 생산성을 확보해 사용화 단계가 진입할 수 있는 계기가 됐다"며 "철강, 시멘트, 석유화학, 정유 등 탄소 다배출 산업현장에서 이산화탄소를 원료로 다양한 화학제품을 생산하는 데 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 화학분야 국제 학술지 '그린 케미스트리(지난 3월호)'에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr