다양한 산업군에서 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 진행하는 전처리 공정(40~75℃ 조건)에서 핵심 요소는 이산화탄소를 안정적으로 포집하는 흡수제다. ‘한국 이산화탄소 포집 및 처리 연구개발 센터’의 지원으로 카이스트 연구팀이 이번에 개발한 건식 흡수제 아조-코프Azo-COP는 값비싼 촉매 없이도 합성이 가능해 제조 비용이 저렴하며, 고온 및 다량의 수분 조건에서도 안정적인 특성이 있다. 질소 대비 이산화탄소 선택성을 300배 높인 세계 최고 수준의 CO2 흡수제라고 연구팀은 설명한다. 

 

기후변화 대응 및 온실가스 감축을 위한 현실적인 대안으로 이산화탄소를 포집해 저장·처리하는 기술의 중요성이 최근 대두되고 있다. 이산화탄소 포집 및 저장·처리 기술인 CCS(Carbon Capture and sequestration)는 발전소나 제철소와 같이 대량 이산화탄소 배출원에 적용할 경우 무엇보다 고온온과 다량의 수분이 발생하는 극한 조건에서도 포집 효율이 낮아지지 않는 것이 CCS 연구 개발의 핵심 과제였다.
 

현재 이산화탄소를 포집하는 기술로는 액상 흡수제를 이용한 습식 포집 기술, 고체 흡수제를 이용한 건식 포집 기술, 필름과 같은 얇은 막을 이용하는 분리막 포집 기술이 있다.
 

기존 연구 결과를 보면, 건식 흡수제인 MOF(Metal Organic Framework)*나 제올라이트의 경우는 수분 조건에서 불안정하거나 합성이 비싸다는 단점이 있었다. 그런데 이번에 새로 연구 개발한 ‘아조-코프Azo-COP’로 명명하는 흡수제는 건식으로, 값비싼 촉매 없이도 합성이 가능해 제조 비용이 매우 저렴하며, 고온 및 다량의 수분 조건에서도 안정한 특성을 나타냈다. 질소 대비 이산화탄소 선택성을 300배 높인 세계 최고 수준의 CO2 흡수제라는 연구팀 측의 설명이다.
 

이번 연구는 (재)한국 이산화탄소 포집 및 처리 연구개발 센터(CCS R&D 센터)의 지원으로 카이스트 자페르 야부즈 교수, 알리 조스쿤 교수, 정유성 교수 등이 공동으로 연구에 참여했다. 

 

코프COP는 간단한 유기 분자들을 다공성 고분자 형태로 결합시킨 구조체로 이 연구팀이 처음으로 개발한 건식 이산화탄소 포집 물질이다. 연구팀은 이 물질에 ‘아조Azo’라는 기능기를 추가로 도입함으로써 질소를 배제하고 혼합 기체 중에서 이산화탄소만을 선택적으로 포집하도록 했다.
 

‘아조’기를 포함하는 아조-코프는 일반적 합성 방법을 통해 쉽게 제조했으며, 값비싼 촉매 대신 물과 아세톤 등의 용매를 사용해 불순물도 쉽게 제거함으로써 제조 비용을 대폭 낮출 수 있었다.
 

특히, Azo-COP는 이산화탄소와 화학적 결합이 아닌 약한 인력을 통해 결합함으로써 흡착제 재생 에너지 비용을 혁신적으로 낮출 수 있으며, 350℃ 정도의 극한 조건에서도 안정적으로 기능해 이산화탄소 포집제로서 활용은 물론 더욱 가혹한 환경의 다양한 분야에서 포집 물질로 활용될 것으로 기대된다.
 

CCS R&D 센터의 박상도 센터장은 “Azo-COP를 CO2, N2 분리 실험에 적용한 결과 포집 효율이 수백배 향상됐다”며 “이 물질은 촉매가 필요 없고, 수분 안정성, 구조 다양성 등 우수한 화학적 특성으로 앞으로 이산화탄소 포집을 비롯한 많은 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 

연구팀이 개발한 질소 혐작용기(N2-Phobicity)*를 이용한 이산화탄소 흡착량 감소 없이 높은 CO2/N2 선택도를 갖는 고분자는 기존의 연구 방향과는 다른 새로운 개념으로 ▲합성 시 촉매 비사용 ▲질소가 풍부한 나노 다공성* 고분자 ▲질소 사이의 연결된 Azo 작용기(-N=N-)의 존재라는 3가지 특징을 갖는다.
 

기존에 연구됐던 MOF(Metal Organic Framework)나 Zeolite의 경우는 수분 조건에서 매우 불안정(MOF)하거나 구조적으로 변형하기가 쉽지 않고 합성이 어렵거나 비싸다는 단점이 있다. 이에 반해 공유성 유기 고분자* Azo-COP는 합성 비용이 매우 저렴하며, 단량체를 통한 구조적 변형이 쉽고 고온 및 수분 조건에서도 좋은 특성들을 나타냈다.
 

우선 BET 표면 분석법으로 측정한 Azo-COP의 표면적은 729m2/g, 50℃에서 이산화탄소 흡착량 151.3mg/g 선택도 288로, 일반 산업지역의 기준 온도라 할 수 있는 40℃ 이상에서 좋은 특성을 나타냈다. 또한 수분 조건에서의 안정성 테스트를 위해 끓는 물에 1주일 정도 보관 후 다시 BET 및 이산화탄소 흡착량, 선택도를 측정했을 때도 큰 변화가 없었다.
 

연구팀은 이와 같은 높은 선택도(288)는 고온에서 질소와 Azo 작용기(-N=N-) 사이에 반발력이 증가하기 때문이라 생각했다. 이를 뒷받침하기 위해 시뮬레이션으로 살펴본 결과 Azo-COP에 이산화탄소가 흡착될 때보다 질소가 흡착될 때 엔트로피 변화량이 커지는 것을 알 수 있었다. 

결론적으로, Azo-COP은 ▲끓는 물이나 공기 중 350℃ 정도의 극한 조건에서도 안정적임 ▲50℃에서 세계적으로 가장 높은 선택도(288) ▲촉매 없이 가능한 고분자 합성 ▲혐질소기(N2-Phobicity) 등의 새로운 패러다임을 열어준다.  

 

 

* MOF: 금속과 유기 분자 연결기들이 규칙적으로 반복되면서 결정 구조를 가지고 배열돼 만들어진 다공성의 금속 유기 골격체. 미세 나노 세공을 가지고 있어 표면적이 매우 높아 기체의 포집, 저장, 촉매로서 응용성이 우수하다. 

 

* 질소 혐작용기: 기체의 포집 시 질소를 배제하도록 만든 작용기. 질소 혐작용기를 도입함으로써 혼합 기체 중에서 이산화탄소만을 선택적으로 포집하는 데 효율을 높인다.

 

* 나노 다공성: 나노 크기의 기공이 많은 물질로 활성 표면적이 넓어 기체 흡착이나 촉매 효율을 높이는 데 유리하다.   

* 공유 결합 유기 고분자: 공유 결합을 통해 유기 분자들을 핵기와 연결기의 반복된 형태로 만든 무형질의 네트워크 고분자의 일종.