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【신기술 2】 기후위기의 주범 이산화탄소를 활용하는 기술
2021-04-01

 
기후위기의 주범 이산화탄소를 활용하는 기술
인공광합성과 전기화학촉매, 초투과성 분리막 기술 등

탄소배출권 가격의 상승에 이어 탄소세 도입 등이 이루어질 것으로 전망된다. 이에 산업계는 이산화탄소 배출 비용을 줄이는 방안을 모색하고 있다. 또한 에너지 집약 산업체의 석탄회 및 철강 슬래그 등과 같은 부산물에 대한 처리비용도 날로 증가하고 있다. 이에 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하거나 산업 부산물과 반응시켜 부가가치가 있는 물질을 만드는 기술에 관심이 쏠리고 있다. 이번 호에서는 이산화탄소 등을 유용하게 활용할 수 있는 연구들을 살펴보았다.  

정리 강창대 기자 자료 한국과학기술원(KAIST)

온실가스 등에 의한 기후위기를 해결하기 위한 친환경 기술개발의 필요성이 대두되고 있다. 대표적인 온실가스인 이산화탄소는 산업화의 부산물로 그 배출량과 대기 중 농도가 꾸준히 증가하고 있으며, 추가 배출을 억제하고 대기 중 이산화탄소의 농도를 줄이기 위해 범지구적 노력이 진행 중이다. 배출된 이산화탄소를 유용 화합물로 전환하는 탄소자원화기술은 실용적이며 지속가능한 사회 구현을 위한 대안으로 주목받고 있으며, 특히 신재생에너지와 연계가 가능한 전기화학적 이산화탄소 전환 기술은 이산화탄소의 저감 및 활용면에서 가장 직접적이고 효과적인 기술 중의 하나로 알려져 있다. 

이산화탄소는 열역학적으로 매우 안정한 기체로 다시 연료로 변환하기 위해서는 에너지의 투입과 동시에 반응의 속도와 선택성을 제어할 수 있는 촉매소재의 개발이 필수적이다. 특히 구리 기반 소재가 이산화탄소를 전환하여 탄화수소를 생성하는 것으로 알려져 있으며, 최근에는 구리기반의 소재 내 결함, 산화수, 나노구조 등의 촉매소재 설계인자를 조절하여 이산화탄소 전환반응의 효율과 선택도를 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다. 

미생물 활용한 친환경 C1 가스 전환 기술
한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 기후변화의 주된 요인인 ‘C1 가스’를 고부가가치 바이오 화학물질로 전환하는 기술을 개발했다. 3월 9일 KAIST의 발표에 따르면, 생명과학과 조병관 교수 연구팀이 광 나노입자가 빛을 받으면 내놓는 전자를 미생물이 에너지원으로 이용할 수 있도록 고효율 광 나노입자가 표면에 부착된 ‘미생물-광 나노입자 인공광합성 시스템’을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 빛을 유일한 에너지원으로 활용해 미생물이 C1 가스를 다양한 바이오 화학물질로 전환하는 친환경 C1 가스 리파이너리 기술이다. C1 가스는 이산화탄소나 일산화탄소 등 탄소 1개로 구성된 가스를 통칭하는 개념이다.1)

이 연구에 활용된 미생물은 아세토젠(acetogen)이다. 현재까지 알려진 C1 가스를 유기물로 전환하는 대사회로는 모두 6가지이며 식물 광합성이 대표적인 예이다. 아세토젠은 C1 가스의 흡수 대사회로 중 가장 효율적이라고 평가된 우드-융달 대사회로(Wood-Ljungdahl pathway)를 통해 1년에 1천억 kg의 아세틸산을 생산하며 지구 탄소 순환에 큰 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다. 이에 아세토젠은 C1 가스로부터 바이오 화학물질을 생산하기 위한 바이오 촉매로 활용될 가능성이 커 탄소 포집 및 활용(Carbon Capture, Utilization and Storage; CCUS) 분야에서 주목을 받고 있다. 

아세토젠은 C1 가스 대사를 위한 환원 에너지를 당이나 수소를 분해해 얻는다. 당이나 수소를 대체하기 위해 나노입자 크기의 개별 광전극 역할을 하는 광 나노입자를 미생물 표면에 부착시켜 빛에너지를 미생물로 전달시키면 당이나 수소 없이도 C1 가스를 활용할 수 있다. 기존기술은 광 나노입자를 생합성해 세포 표면에 부착시키는 방법으로 광 나노입자의 구조와 크기를 조절하기 어려워 C1 가스 대사 효율을 높이는 데 한계가 있었다. 이는 구조와 크기에 따라 광전도효과의 성능에 차이가 생기는 광 나노입자의 독특한 특성 때문이다.

이와 같은 한계를 극복하기 위해 연구팀은 구조와 크기가 균일하고 우수한 광전도효과를 나타내는 고효율 광 나노입자를 화학적 방법으로 합성하고, 산업적으로 활용 가능한 아세토젠 미생물 중 하나인 ‘클로스트리디움 오토에타노게놈’(Clostridium autoethanogenum)의 표면에 부착시켰다. 이렇게 함으로써 연구팀은 광 나노입자를 부착한 미생물이 C1 가스로부터 아세트산을 생산할 수 있음을 입증해 친환경 인공광합성 시스템을 구축하고, 이 시스템에 사용한 미생물의 전사체 분석을 통해 광 나노입자로부터 생성된 전자가 미생물 내로 전달되기 위한 전자수용체를 규명했다. 전사체 분석은 세포 내 모든 RNA를 분석해 유전자 발현 유무를 규명하는 기술이다. 

연구를 주도한 조병관 교수는 “고효율 광 나노입자를 사용해 인공광합성 효율을 증대시킬 수 있고, 광 나노입자로부터 생성된 전자를 효율적으로 수용할 수 있는 인공미생물 개발연구에 실마리를 제공했다”며 이번 연구의 의의를 설명했다.

이산화탄소를 연료로 바꾸는 원자 틈
이산화탄소는 하나의 탄소와 두 개의 산소 원자로 구성된 기체로, 이들로부터 산소를 떼어내거나 수소를 붙이는 등의 환원공정을 거치면 유용한 화합물을 얻을 수 있다. 하지만 이산화탄소는 매우 안정한 기체로, 이를 다시 환원하려면 큰 에너지가 필요하다. 그래서 재생에너지를 활용하는 방안이 고려되고 있다. 재생에너지로부터 환원 반응에 필요한 전기에너지를 공급하고, 반응의 효율 및 선택성을 조절할 수 있는 촉매기술을 적용하면 이산화탄소를 효율적으로 다시 유용한 연료로 전환할 수 있다.

1980년대부터 구리 기반의 전기화학촉매가 이산화탄소를 전환하여 탄화수소 계열 연료를 생산할 수 있다는 것이 알려졌으며, 21세기에 접어들어 온실가스로 인한 지구온난화 문제가 심각히 대두됨에 따라 구리 기반의 촉매소재를 활용하는 연구가 이루어지고 있다.  2020년 3월 16일 KAIST는 이산화탄소로부터 에틸렌 생성비율을 최고 80%까지 높일 수 있는 기술을 개발했다고 발표한 바 있다. KAIST 신소재공학과 강정구 교수 연구팀과 성균관대, UNIST, 부산대, 미국 버클리대학, 칼텍 등이 공동으로 진행한 이 연구는 이산화탄소를 에틸렌 등의 고부가 연료로 변환할 수 있는 전기화학촉매 소재기술을 개발하는 것이었다. 연구팀은 기존 나노입자기반 촉매의 한계를 뛰어넘기 위해 원자수준의 촉매제어 기술을 도입했고, 구리 입자 내의 원자 틈을 제어하는 기술을 적용했다.2)

이 연구는 기존 촉매소재 설계에서 제시되지 않은 ‘원자 틈’을 처음으로 촉매설계의 주요인자로 적용한 사례로 평가된다. 또한, 천연가스에서 손쉽게 얻을 수 있는 메탄의 생성을 실험적으로 완전히 억제했으며, 양자역학 계산 기술을 이용해 원자 틈의 촉매반응 활성 원리를 이론적으로 규명했다.
매우 좁은 틈이 생성된 구리 촉매에서 이산화탄소가 연료로 전환되는 과정의 개략도

연구팀은 산화된 구리의 환원반응을 전기화학적으로 미세하게 제어해 구리 결정면 사이에 1 ㎚ 미만의 좁은 틈을 생성했다. 이 원자 틈에서 이산화탄소 환원반응 중간생성물의 촉매표면 흡착에너지를 최적화해 촉매반응의 활성을 극대화했다. 동시에 ‘탄소-탄소 결합’(C-C coupling)을 유도해 에틸렌과 같은 고부가 화합물이 효율적으로 생산되는 것을 규명했다. 연구에서 제안한 신규 활성인자인 원자 틈 원리는 다양한 전기화학 촉매 연구 분야로 확장할 수 있다는 의의를 갖는다.

초투과성 분리막을 이용한 시스템
2020년 11월 23일 KAIST는 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀이 에너지 집약 산업체의 이산화탄소 배출량을 줄이는 동시에 산업 부산물을 유용한 자원으로 전환하는 고체 탄산화 시스템을 개발했다고 발표했다. 이 시스템은 중공사막 형태의 ‘초투과성 분리막’을 이용해 연속적으로 이산화탄소 포집과 전환이 가능하기 때문에 탄소 배출량을 대량으로 줄일 수 있다.3) 중공사막은 가운데가 비어있는 형태의 막으로 인공 신장 투석기나 정수기 따위의 여과재로 사용된다.

연구팀이 개발한 고체 탄산화 기술은 이산화탄소와 알칼리 금속(Ca, Mg)의 자발적 결정화 반응을 이용하는 일종의 자연모방 기술이다. 이 기술은 이산화탄소를 열역학적으로 가장 안정된 탄소 저장체인 고체 탄산염(CaCO3, MgCO3)으로 전환하는 기술이다. 고체 탄산염은 건설·토목 소재, 제지산업, 고분자, 의약, 식품, 정밀화학 분야에 활용할 수 있다고 한다. 특히, 이산화탄소를 탄산칼슘 등의 고체 탄산염으로 전환해 건설 소재로 이용하는 기술은 전 세계 시장에서 2030년까지 연간 약 1조 달러의 수익을 창출할 것으로 예상되며, 배출되는 이산화탄소를 연간 약 30~60억 톤 감축할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

연구팀은 우선 미세다공성 고분자로 이뤄진 초투과성 분리막 기술을 통해 기존 공정 유닛보다 5~20배가량 작은 부피로 기존 공정 대비 50% 이상의 물질전달 효율을 갖는 고체 탄산화 시스템을 구현하는 데 성공했다. 미세다공성 고분자는 회전할 수 없는 단단한 부분과 고분자 사슬이 뒤틀리는 지점이 반복적으로 나타나는 독특한 구조를 가지는데 기체 분자를 빠른 속도로 투과시킬 수 있어 가스 분리 분야에서 유망한 소재로 주목받고 있다.

연구팀은 이와 함께 미세다공성 고분자를 속이 빈 중공사막 형태로 가공해 모듈화할 수 있는 기술을 확보했다. 이렇게 제조된 초투과성 중공사막 모듈에 이산화탄소/질소 혼합 기체를 흘려보내면 이산화탄소만 선택적으로 빠르게 분리막을 가로질러 중공사막 외부의 알칼리 이온과 반응해 순간적으로 탄산염을 생성하는 원리를 연속식 모듈로 구현했다. 이 기술은 부피 대비 표면적이 기존 시스템보다 수 배 이상 높아 매우 높은 공간 효율성을 갖는 분리막 모듈의 특성을 이용해 장시간의 연속 공정이 가능한 게 특징이자 장점이다. 이 때문에 이산화탄소 전환 공정의 에너지 및 비용 대비 효율성을 높일 수 있다.
1) KAIST 생명과학과 진상락 석·박사통합과정 연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 〈미국국립과학원회보〉(Proceedings of National Academy of Science, PNAS) 2월 23일자 온라인판에 게재됐다. 논문의 제목은 “Acetogenic bacteria utilize light-driven electrons as an energy source for autotrophic growth”이다. 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 C1 가스 리파이너리 사업단 및 지능형바이오시스템 설계 및 합성연구단(글로벌프론티어사업)의 지원을 받아 수행됐다고 한다.

2) 과학기술정보통신부의 글로벌프론티어사업, 신진연구자지원사업 및 차세대탄소자원화사업단의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 결과는 에너지 분야 국제 학술지 〈어드밴스드 에너지 머티리얼즈〉(Advanced Energy Materials) 3월 10일자 표지논문으로 게재됐다. 논문의 제목은 “Atomic-Scale Spacing between Copper Facets for the Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide”이다. 

3) 산업통상자원부 에너지국제공동연구사업의 지원을 받아 수행한 이 연구는 KAIST 생명화학공학과 황영은 박사과정이 제1 저자로 참여했으며 국제 학술지 〈ACS 서스테이너블 케미스트리 앤드 엔지니어링〉(ACS Sustainable Chemistry & Engineering) 10월호 표지논문으로 선정됐다. 논문 제목은 “Solid Carbonation via Ultrapermeable PIM-1 Hollow Fiber Membranes for Scalable CO2 Utilization”이다.  

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