2023.07.24 12:05 한국화학연구원·한국과학기술연구원 공동 연구
(왼쪽부터) 이장용 한국화학연구원 책임연구원, 이웅 한국과학기술연구원 책임연구원 및 원다혜 선임연구원. 한국화학연구원 제공.
이산화탄소(CO2)를 유용한 화학원료인 일산화탄소(CO)로 전환하는 전기화학 공정 핵심소재인 ‘음이온교환막’ 성능을 기존보다 2배 이상 향상시킨 기술이 개발됐다. 음이온교환막은 음극 이온을 양극으로 이동시키는 전해질을 말한다. 한국화학연구원은 이장용 책임연구원과 이웅 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원 및 원다혜 선임연구원 공동연구팀이 이산화탄소를 일산화탄소로 전환할 때 쓰이는 음이온교환막 소재의 성능과 내구성을 세계 최고 수준으로 높이는 기술 개발에 성공했다고 24일 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 4월호에 발표됐다. 일산화탄소는 알코올, 플라스틱 등 다양한 화학제품의 기초물질로 중요한 산업원료다. 기후변화의 주요 원인인 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 기술들이 개발되고 있는 이유다. 전기화학적 전환 기술은 에너지 소비가 적고 공정이 간단해 차세대 ‘이산화탄소 포집 및 활용(CCU)’ 기술로 주목받고 있다. 이 기술이 상용화하려면 기술의 공정을 구성하는 음극 소재, 양극 소재, 음이온교환막 소재 성능이 좋아야 한다. 그 중 음이온교환막 소재는 기술적 난이도가 높아 상용화의 걸림돌이 돼왔다. 음이온교환막은 음극의 음이온을 양극으로 이동시키는 성능이 좋아야 하고 고온에서 안정적으로 버틸 수 있는 내구성이 좋아야 하는데, 이런 특성을 모두 만족하는 소재를 개발하는 데 어려움이 있었다. 현재 국내에서 연구용으로 쓰이는 음이온교환막 해외 제품은 성능과 내구성이 떨어진다.
이산화탄소가 일산화탄소로 전환되는 전기화학 셀(반응기)의 핵심 화학소재인 음이온교환막(중심 부분). 한국화학연구원 제공.
연구팀은 분자량을 키우는 기술을 적용해 폴리카바졸계 고분자 소재를 만들고, 여기에 음이온이 잘 통과하는 화학적 특성을 부여해 음이온교환막의 성능과 내구성을 모두 높이는 방법을 찾았다. 고분자 소재는 사슬처럼 반복적으로 연결된 분자 덩어리가 클수록 내구성이 좋다. 연구팀은 화학연 특허 보유 기술인 ‘고분자량화 기술’을 통해 음이온교환막 소재를 강화했다. 실험 결과 이 소재는 60도 구동 조건에서 150시간 동안 안정적으로 작동했다. 기존 소재는 상온에서만 구동한다. 또 연구팀은 고분자 소재에 유연한 나뭇가지 형태의 화학구조를 가진 ‘테트라메틸이미다졸륨기’를 도입해 음극에서 반응 결과물로 생성된 수산화음이온(OH-)이 양극으로 잘 이동할 수 있도록 했다. 이는 소재의 이온전도도를 높였다. 이렇게 개발된 소재는 기존 해외 소재 대비 일산화탄소 생산 성능을 2배 이상 높였다. 기존 소재를 적용하면 하루 최대 약 1.6kg의 일산화탄소를 생산할 수 있었지만, 이번 소재를 이용하면 최대 약 3.6kg 생산이 가능해진다. 이영국 화학연 원장은 “이번 기술 개발로 선진국과 에너지 분야의 핵심 전해질 소재 기술 격차를 줄일 수 있게 됐다”며 “향후 유관 기업과의 기술이전 및 상용화 추진을 통해 차세대 CCU 혁신 기술 개발의 지렛대가 되기를 기대한다”고 말했다.