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이산화탄소(CO2)는 지구 생명체에 필수적인 자원인 동시에 지구 온난화의 원인이 되는 온실가스입니다. 오늘날 과학자들은 이산화탄소를 재생 가능하고 탄소 배출량이 적은 연료 및 고부가가치 화학 제품 생산을 위한 유망한 자원으로 연구하고 있습니다.
연구자들의 과제는 이산화탄소를 일산화탄소, 메탄올 또는 포름산과 같은 고품질 탄소 중간체로 효율적이고 비용 효과적으로 전환하는 방법을 찾는 것입니다.
미국 국립재생에너지연구소(NREL)의 KK 노이어린이 이끄는 연구팀과 아르곤 국립연구소, 오크리지 국립연구소의 공동 연구진이 이 문제에 대한 유망한 해결책을 발견했습니다. 연구팀은 재생 가능한 전기를 사용하여 이산화탄소로부터 포름산을 생산하는 고효율 및 내구성 전환 방법을 개발했습니다.
"이산화탄소를 포름산으로 효율적으로 전기화학적으로 변환하기 위한 확장 가능한 막 전극 조립체 구조"라는 제목의 이 연구는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 게재되었습니다.
포름산은 화학 및 생물학 산업에서 원료로 널리 활용될 수 있는 잠재력 있는 화학 중간체입니다. 또한 포름산은 청정 항공 연료로 전환하는 바이오 정제 공정의 원료로도 주목받고 있습니다.
이산화탄소의 전기분해는 전해조에 전압을 가했을 때 이산화탄소를 포름산과 같은 화학 중간체 또는 에틸렌과 같은 분자로 환원시키는 결과를 낳습니다.
전해조의 막전극 어셈블리(MEA)는 일반적으로 전기촉매와 이온전도성 고분자로 구성된 두 전극 사이에 이온전도성 막(양이온 또는 음이온 교환막)이 끼워진 구조입니다.
연구팀은 연료 전지 기술과 수소 전기 분해 분야의 전문 지식을 활용하여 전기 분해 전지에서 여러 MEA 구성을 연구하고 이산화탄소를 포름산으로 전기화학적으로 환원하는 과정을 비교했습니다.
다양한 설계에 대한 실패 분석을 바탕으로, 연구팀은 기존 재료의 한계, 특히 현재 음이온 교환막의 이온 제거 능력 부족을 활용하여 전체 시스템 설계를 단순화하고자 했습니다.
NREL의 KS Neierlin과 Leiming Hu가 발명한 이 장치는 새로운 천공형 양이온 교환막을 사용한 개선된 MEA 전해 장치입니다. 이 천공형 막은 일관되고 선택성이 높은 포름산 생산을 제공하며, 시판 부품을 사용하여 설계를 간소화합니다.
공동 저자인 네이어린은 “이번 연구 결과는 포름산과 같은 유기산의 전기화학적 생산 방식에 있어 패러다임의 전환을 의미합니다.”라고 말했습니다. “천공된 막 구조는 기존 설계의 복잡성을 줄여줄 뿐만 아니라, 다른 전기화학적 이산화탄소 변환 장치의 에너지 효율과 내구성을 향상시키는 데에도 활용될 수 있습니다.”
모든 과학적 혁신과 마찬가지로 비용 요소와 경제적 타당성을 이해하는 것이 중요합니다. NREL 연구원인 Zhe Huang과 Tao Ling은 여러 부서와 협력하여 재생 가능한 전기 요금이 킬로와트시당 2.3센트 이하일 때 현재 산업용 포름산 생산 공정과 비용 동등성을 달성할 수 있는 방법을 제시하는 기술경제성 분석을 발표했습니다.
네이어린은 "연구팀은 시중에서 구할 수 있는 촉매와 고분자 멤브레인 소재를 사용하여 이러한 결과를 달성했으며, 최신 연료 전지 및 수소 전기분해 설비의 확장성을 활용하는 MEA 설계를 개발했다"고 말했다.
"이번 연구 결과는 재생 가능한 전력과 수소를 사용하여 이산화탄소를 연료 및 화학 물질로 전환하는 데 도움이 될 수 있으며, 규모 확대 및 상용화로의 전환을 가속화할 수 있습니다."
전기화학적 변환 기술은 차세대 재생 가능 수소, 무연료, 전기 구동 공정용 화학 물질 및 재료에 중점을 둔 NREL의 전자-분자 프로그램의 핵심 요소입니다.
"저희 프로그램은 재생 가능한 전기를 사용하여 이산화탄소나 물과 같은 분자를 에너지원으로 사용할 수 있는 화합물이나 화학 물질로 전환하는 방법을 연구하고 있습니다."라고 NREL의 전자 전달 및/또는 연료 생산용 전구체 전략 책임자인 랜디 코트라이트가 말했습니다.
"이번 전기화학적 변환 연구는 다양한 전기화학적 변환 공정에 활용될 수 있는 획기적인 성과를 거두었으며, 이 연구팀으로부터 더욱 유망한 결과가 나오기를 기대합니다."
추가 정보: Leiming Hu 외, CO2를 포름산으로 효율적으로 전기화학적으로 전환하기 위한 확장 가능한 막 전극 조립체 구조, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
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