이산화탄소로 휘발유를 만들 수 있다?

이산화탄소로 휘발유를 만들 수 있다?

16기 문정호

 

이 기사를 작성하는 현시점이 1월이라는 점을 생각했을 때 올해 겨울은 예전에 비해 덜 춥다고 느낀 적이 많았다. 눈이 내려야 하는 1월에 비가 내리는 모습을 보면서 지구온난화의 영향을 몸소 느낄 수 있었다.

 

이산화탄소는 지구온난화를 유발하는 주요 온실가스로 손꼽히고 있으며, 우리나라의 이산화탄소 배출량은 지난 2017년 기준으로 6억 8천여 톤에 다다르게 되었다. 산업혁명 이후 260여 년간 대기 중 이산화탄소 농도는 50% 가까이 증가했다.

 

주로 화력발전이나 차량 운행같이 우리 생활과 밀접한 과정에서 배출돼 줄이는 게 쉽지 않은 현 상황에서, 한국화학연구원의 전기원·김석기 박사팀이 새로운 기술을 개발했다.

 

[이산화탄소에서 전환된 휘발유]

출처 : 한국화학연구원

 

바로 이산화탄소를 휘발유로 전환시키는 촉매 제조기술이다.

 

한국화학연구원 탄소자원화연구소 전기원·김석기 박사팀은 온실가스의 주범인 이산화탄소를 휘발유로 직접 전환하는 반응 메커니즘을 밝히고, 전환 공정의 핵심인 촉매를 최적화하는 데 성공했다.

 

직접 전환은 두 단계로 나눠진 간접 전환을 단일한 공정으로 통합한 기술이다. 간접 전환 반응이 800℃ 고온에서 진행되는 반면, 직접 전환 반응은 300℃ 저온에서 진행돼 에너지를 적게 쓴다. 즉, 에너지 효율이 높은 것이다.

 

이처럼 직접 전환의 에너지 효율이 높은데도, 반응 메커니즘이 베일에 가려져 있던 탓에 촉매의 성능을 최적화하는 데 한계가 있었다.

 

한국화학연구원 연구진은 계산과학을 이용해 직접 전환 반응에 쓰이는 촉매의 성분별 역할을 규명하고, 이를 바탕으로 촉매의 성능을 최적화했다.

 

[CO2로부터 휘발유를 생산하는 반응을 나타낸 모식도]

출처 : 한국화학연구원

 

직접 전환 반응에는 철 기반의 철 구리 칼륨 촉매가 쓰이는데, 구리와 칼륨의 역할을 밝혀낸 것이다. 연구진은 구리가 이산화탄소(CO2)를 CO와 O로 쪼개고 철 표면에 흡착된 산소를 제거하는 반응을 촉진하고, 칼륨이 일산화탄소(CO)끼리 연쇄적으로 붙어서 휘발유로 전환되는 반응을 도와준다는 것을 알아냈다.

 

또한 직접 전환 반응 공정에 칼륨을 첨가할 경우, 철과 구리의 합금 형성을 촉진해 안정성을 높인다는 사실도 실험을 통해 확인했다.

 

이를 통해 철 기반 촉매에 들어가는 구리와 칼륨의 적절한 양을 알아내고, 최적화된 촉매를 개발했다. 그 결과 20%의 안정적인 수율(이산화탄소의 휘발유 전환율)을 확보했다.

 

이는 이산화탄소 1톤으로 휘발유 200㎏을 만들 수 있는 기술이다.

 

소개된 기술은 아직 상용화 단계까지 이뤄지지는 않았지만 온실가스 저감 분야 최고 권위지 Journal of CO2 Utilization 12월 호에 기재된 만큼 놀라운 기술이다.

 

또한 300℃의 저온에서 반응이 진행된다는 것은 전력 공급이 안정적이지 못한 환경에서도 가동될 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 태양열과 풍력 등 재생에너지를 전환 공정의 전력 공급원으로 사용할 수 있다는 뜻이다.

 

이산화탄소를 활용해 보다 친환경적인 연료를 생산할 수 있는 이 기술은 환경과 에너지 분야의 미래 잠재적 가치가 클 것으로 기대된다.

연구가 더 활발히 진행되어 효율을 높이고, 상용화 단계까지 진입해 화석연료 사용으로부터 좀 더 자유로워질 수 있는 시스템이 구축됐으면 한다.

 

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참고문헌

 

1. 한국화학연구원 공식 블로그,"이산화탄소를 휘발유로 직접 전환하는 촉매 개발", 2019.12.17

https://blog.naver.com/krictblog/221740181407

2. 이정우, "이산화탄소를 휘발유로 만드는 '촉매 기술' 개발", YTN, 2019.12.11

https://www.ytn.co.kr/_ln/0134_201912111039181577