이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 가장 큰 원인으로 많은 시간동안 이러한 문제를 해결할 방법을 사람들은 모색해왔다. 이산화탄소를 지하에 저장하고, 이산화탄소를 배출량을 줄이는 방법들을 시도하면서 대기중의 이산화탄소를 줄이려고 하였다. 그런데 이러한 이산화탄소를 유용한 화학물질인 에틸렌으로 변화시킬 수 있는 나노촉매가 개발되었다.
KAIST는 송현준 화학과 교수 연구팀이 중성 탄산수 전해질을 이용해 이산화탄소로 에틸렌을 변환하는 촉매기술을 개발했다. 이러한 문제에서는 이산화탄소를 변화할 수 있는 효율이 가장 중요한 문제로 대두되는데, 연구팀은 70%이상의 효율을 만들어내면서 성공적인 결과를 얻을 수 있었다. 또한 부산물의 양을 대폭 줄이면서 역시 에틸렌으로의 전환을 높은 효율로 진행할 수 있었다.
이러한 에틸렌과 같은 탄소화합물로 전환하는 방법은 전환한 탄소화합물을 다시 이용할 수있다는 큰 장점이 존재한다. 하지만 이러한 물질을 얻기 위해서는 따로 분리과정을 반드시 거쳐야하는 단점이 존재한다. 연구팀은 이러한 단점을 해결하기 위해 다방면으로 노력했다.
연구팀은 구리산화물 육면체 나노입자를 합성한 뒤 산화시켜 가지 모양의 구리산화물 나노입자로 합성했다. 이를 탄소 지지체 표면에 담아 구리산화물-탄소 전극 물질로 활용, 중성 수용액에서 반응 실험을 진행한 결과 이산화탄소로부터 70% 이상의 에틸렌을 얻는 데 성공했다. 또한 부산물의 발생을 최소화하기 위해서는 환원 반응에서 생성물의 크기가 매우 작아지도록 유도하였다. 여러번의 실험을 거친 후 개발한 전기화학 촉매가 나노입자 촉매 중에서는 가장 높은 전류밀도와 안정성을 보였으며 특히 모든 촉매를 통틀어 중성 수용액 조건에서 가장 뛰어난 에틸렌 선택성을 보였다고 평가했다.
두 번째 방법은 이산화탄소를 석탄으로 전환하는 방법이다. 이산화탄소는 흔히 석탄과 같은 화석연료의 연소로 인해서 가장 많이 발생한다. 그런데 과연 어떤 방법으로 이산화탄소를 다시 석탄으로 되돌릴 수 있을까?
토르벤 대네케 호주 로얄멜버른공대 교수팀이 기체 상태의 이산화탄소를 고체 탄소 입자로 전환하는 효율적인 방법을 개발하였다. 현재까지 개발된 기술은 대기 중 이산화탄소를 포집해 저장하는 기술(CCS)이다. 그러나 이 기술은 이산화탄소 기체를 액체로 압축하는 수준에 머물러 있다. 액체 이산화탄소는 지하저장고에서 저장하는 시스템을 가지고 있는데, 이는 저장시 누출위험이 크고 부피를 많이 차지한다는 치명적인 단점이 존재한다. 또한 이를 유지하기위해서 600도 이상의 고온 상태를 유지하는데는 엄청나게 많은 비용이 필요하다. 연구팀은 실온에서도 이산화탄소 기체를 고체로 전환할 수 있는 액체 금속 촉매를 개발했다. 이 촉매는 세륨(Ce) 나노입자를 기반으로 만들어졌으며, 표면이 활성화되면 전기전도도가 매우 높아진다. 이산화탄소 기체는 전기화학적 환원을 통해 고체로 바뀌기 때문에 촉매의 전기전도도가 높을 경우 이 과정이 매우 수월하게 이뤄진다. 연구팀은 액체 금속 촉매를 비커에 넣고 전류를 흘린 뒤 이산화탄소 기체를 주입하자 고체 탄소로 변하는 현상을 확인했다.
이번 기사를 통해서 지구온난화의 주요 발생원인인 이산화탄소 기체를 화학적인 처리를 통해서 줄여나가는 2가지 방법을 통해서 알아보았다. 앞으로 이러한 기술이 더 발전하게된다면, 이산화탄소를 줄이면서 다시 재사용하는 기술이 현실적으로 가능할 날이 곧 다가올 것 같다. 앞으로 화학기술발전이 이산화탄소 감량과 활용을 가능하게 하는 일석이조를 실현해내리라 믿는다.
작성자: 17-021 김범준
분야: 촉매화학
참고문헌:
[1] 동아사이언스 이산화타소 석탄으로 되돌렸다
http://dongascience.donga.com/news.php?idx=27916
[2] 동아사이언스 신개념 나노촉매로 이산화탄소 70% 이상 에틸렌으로 변환
http://dongascience.donga.com/news.php?idx=28363
이미지:
동아사이언스
http://dongascience.donga.com/news.php?idx=27916