혁신적인 이산화탄소 분해 기술 개발: 탄소와 산소 직접 생산

지구 온난화의 주범인 이산화탄소 배출량을 획기적으로 감축해야 하는 시점에서, 이산화탄소를 탄소와 산소로 직접 전기화학적으로 분해하는 새로운 공정이 개발되어 주목받고 있다. 중국 연구팀은 학술지 <앙게반테 케미>(Angewandte Chemie)에 발표한 논문을 통해, 이 기술을 활용하면 압력이나 온도와 같은 엄격한 조건 없이도 수중이나 우주 공간에서 산소를 생산할 수 있다고 보고했다.

 

 

목차

• 식물의 광합성: 탄소 중립의 자연스러운 과정
• 기존 기술의 한계와 새로운 접근 방식
• 리튬을 활용한 전기화학적 이산화탄소 분해
• 음극에서의 이산화탄소 환원 및 리튬 화합물 형성
• 양극에서의 산화리튬 산화 및 고순도 산소 발생
• 다양한 가스 환경에서의 기술 검증 및 응용 가능성 시사
• 탄소 중립 실현 및 폭넓은 응용 잠재력

식물의 광합성: 탄소 중립의 자연스러운 과정

잎이 무성한 식물은 광합성을 통해 이산화탄소를 산소와 포도당으로 전환하는 탄소 중립의 대표적인 존재이다. 이 과정에서 수소 원자는 '매개체'로서 중요한 역할을 수행하지만, 효율성은 그리 높지 않다. 더욱이 식물의 광합성 과정에서 생성되는 산소는 흡수된 물에서 비롯되는 것이며, 이산화탄소의 직접적인 분해는 일어나지 않는다.

 

 

기존 기술의 한계와 새로운 접근 방식

지금까지는 식물과 마찬가지로 온건한 온도 조건에서 이산화탄소를 진정으로 분해하는 기술은 구현되지 못했다. 이러한 상황에서 난징대학교의 허핑(Ping He) 교수와 저우하오션(Haoshen Zhou) 교수 연구팀은 푸단대학교 연구진과의 협력을 통해 이산화탄소를 원소 상태의 탄소와 산소로 직접 분해하는 목표를 달성했다.

 

 

리튬을 활용한 전기화학적 이산화탄소 분해

연구팀이 개발한 방법에서는 식물의 광합성 과정에서 '매개체' 역할을 하는 수소 대신 리튬이 사용된다. 이들은 루테늄과 코발트로 이루어진 나노 촉매(RuCo)로 구성된 기체 음극과 금속 리튬 양극으로 이루어진 전기화학 장치를 개발했다. 이 혁신적인 장치를 통해 이산화탄소를 효율적으로 분해하고 유용한 자원인 탄소와 산소를 동시에 얻을 수 있게 되었다.

 

 

음극에서의 이산화탄소 환원 및 리튬 화합물 형성

개발된 전기화학 장치에서 이산화탄소는 음극으로 공급되어 리튬과의 2단계 전기화학적 환원 과정을 거친다. 초기 단계에서는 이산화탄소와 리튬이 반응하여 탄산리튬(Li2CO3)이 형성된다. 이 탄산리튬은 이후 추가적인 반응을 통해 산화리튬(Li2O)과 원소 상태의 탄소로 분해된다.

 

 

양극에서의 산화리튬 산화 및 고순도 산소 발생

다음으로, 양극에서는 전기촉매 산화 과정을 통해 앞서 생성된 산화리튬이 리튬 이온과 산소 기체(O2)로 전환된다. 최적화된 루테늄-코발트(RuCo) 촉매를 사용함으로써 98.6% 이상의 매우 높은 산소 수율을 달성했으며, 이는 자연적인 광합성 효율을 훨씬 뛰어넘는 수치이다.

 

 

다양한 가스 환경에서의 기술 검증 및 응용 가능성 시사

연구팀은 순수한 이산화탄소뿐만 아니라 다양한 비율의 이산화탄소를 포함하는 혼합 가스를 대상으로도 성공적인 실험을 수행했다. 여기에는 모의 배기가스, 이산화탄소와 산소의 혼합 가스, 그리고 모의 화성 대기가 포함된다. 특히 화성 대기는 주로 이산화탄소로 구성되어 있지만, 대기압은 지구 대기압의 1% 미만이다. 이에 연구팀은 아르곤과 1%의 이산화탄소 혼합물로 모의 화성 대기를 조성하여 실험을 진행했다.

 

 

탄소 중립 실현 및 폭넓은 응용 잠재력

필요한 전력을 재생 에너지로부터 공급받을 수 있다면, 이 기술은 탄소 중립 사회로 나아가는 데 중요한 발판을 마련할 수 있다. 동시에 이산화탄소로부터 산소를 실용적이고 제어 가능한 방식으로 생산할 수 있는 이점은 화성 탐사 및 우주복 산소 공급, 수중 생명 유지 장치, 호흡 마스크, 실내 공기 정화, 그리고 산업 폐기물 처리 등 광범위한 분야에서 응용될 수 있는 잠재력을 보여준다.