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이산화탄소를 산업용 일산화탄소로...저렴한 고효율 주석 촉매 개발

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이산화탄소를 산업용 일산화탄소로...저렴한 고효율 주석 촉매 개발

2020.09.20 12:00
육각형 벌집 모양 원통이 탄소나노튜브이다. 주황색 덩어리는 나노미터 크기의 주석 입자다. 주석 입자에 이산화탄소가 달라붙은 모습을 형상화 했다. UNIST 제공
주석 입자에 이산화탄소가 달라붙은 모습을 형상화 했다. 육각형 벌집 모양 원통은 탄소나노튜브고 주황색 덩어리는 나노미터 크기의 주석 입자다. ACS 에너지 레터스 9월 11일자 속표지그림이다. UNIST 제공

기후변화를 일으키는 대표적 온실기체인 이산화탄소를 이용해 산업용 일산화탄소를 만드는 효율 높은 촉매 기술이 개발됐다. 기후변화도 줄이고 플라스틱이나 세제, 접착제 등을 생산하는 일산화탄소 생산 공정의 효율을 높이는 데에도 도움이 될 것으로 기대된다.


울산과학기술원(UNIST)은 권영국 에너지화학공학과 교수팀과 강석태, 김형준 KAIST 교수팀이 주석과 탄소를 이용해 이산화탄소를 일산화탄소로 효율적으로 전환하는 저렴한 촉매를 개발했다고 20일 밝혔다.


이산화탄소는 기후변화를 일으키는 대표적인 온실기체다. 화석연료를 사용하는 모든 에너지 생산 공정과 산업, 가정, 교통수단에서 발생한다. 전세계는 기후변화가 지금 추세로 진행될 경우 기후변화가 겉잡을 수 없는 속도로 가속화될 것으로 예상하고 있다. 이에 따라 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 화석연료를 사용을 줄이고 재생에너지 사용을 늘리고 있다. 또 이미 배출한 이산화탄소를 줄이거나, 어쩔 수 없이 배출되고 있는 이산화탄소를 저장하거나 다른 물질로 바꿔 제거하는 방법도 연구 중이다.


연구팀은 이산화탄소를 산업용 일산화탄소로 전환시키는 기술에 눈을 돌렸다. 일산화탄소는 유독한 기체지만, 산업 현장에서는 플라스틱이나 세제, 접착제 등을 제조하는 데 널리 활용되고 있다. 일산화탄소는 이산화탄소에서 산소 하나만 제거하면 만들 수 있지만, 이산화탄소가 일산화탄소보다 훨씬 안정해 제조가 매우 어렵다. 이에 따라 반응을 강제로 촉진시켜주는 제3의 물질인 촉매를 이용해 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 기술이 개발돼 있지만, 금이나 은 등 귀금속 촉매를 써야 해 가격이 매우 비쌌다.


권 교수팀은 탄소와 저렴한 금속인 주석을 이용한 새로운 촉매를 만들어 이 문제를 해결했다. 기존에도 금과 은을 대체해 일산화탄소를 생산하는 주석 촉매가 개발돼 있었지만, 막상 이산화탄소를 반응시키면 일산화탄소보다 다른 부산물(포름산)이 더 생겨서 일산화탄소 생산 효율이 떨어진다는 단점이 있었다.

 

A는 개발한 촉매의 모습이고 B는 촉매 가닥을 확대하 모습이다. 가운데가 뚫려 있는 구조라 반응물인 이산화탄소가 원활히 통과 할 수 있다. C는 머리카락 같이 보이는 탄소나노튜브에 주석 나노입자(흰색)가 흡착된 모습이다. UNIST 제공
A는 개발한 촉매의 모습이고 B는 촉매 가닥을 확대하 모습이다. 가운데가 뚫려 있는 구조라 반응물인 이산화탄소가 원활히 통과 할 수 있다. C는 머리카락 같이 보이는 탄소나노튜브에 주석 나노입자(흰색)가 흡착된 모습이다. UNIST 제공

연구팀은 탄소 원자를 튜브 모양으로 길게 이어 붙인 탄소나노튜브(CNT)를  주석과 함께 사용하는 방법으로 일산화탄소 생산 효율을 높인 촉매를 개발했다. 이 촉매의 CNT 표면에 나노미터(nm, 1nm는 10억 분의 1m) 크기의 주석 입자가 붙으면 전기장에 변화가 일어나는데, 전기장에 민감한 이산화탄소 기체가 CNT에 더 잘 흡착되면서 일산화탄소 생성을 촉진했다. 반면 전기장에 덜 민감한 포름산 생성 반응은 촉진되지 않았다. 연구팀은 “결과적으로 기존 주석 촉매에 비해 일산화탄소 생산 효율을 100배 높였다”며 “이 반응의 원리도 이론 연구를 통해 상세히 밝혔다”고 말했다.


연구팀은 촉매를 만드는 공정도 개발했다. 탄소나노튜브와 주석 나노입자, 고분자로 이뤄진 반 액체 상태의 혼합물을 좁은 구멍 밖으로 밀어내 빨대처럼 가운데가 빈 긴 원통 모양으로 뽑아냈다. 그 뒤 이 혼합물을 도자기를 굽듯 고온에서 구워 내구성 높은 촉매를 완성했다. 


권 교수는 “주석 촉매가 포름산 생성을 촉진한다는 50년 넘은 이론을 뒤집었다”며 “또 이산화탄소 변환 반응 촉매를 설계할 때 전기장을 어떻게 활용할 수 있을지 밝힌 최초의 연구”라고 말했다.


연구 결과는 재료공학 분야 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 에너지 레터스’ 11일자에 발표됐다.
 

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