ㅣ데일리포스트=김정은 기자ㅣ이산화탄소를 활용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있고, 그중에서도 이산화탄소를 안정적인 연료로 변환해 화석연료를 대체하는 기술이 주목받고 있다. 하지만 이러한 변환 프로세스는 ▲낮은 효율 ▲취급 어려움 ▲유독성 ▲가연성 연료 등 다양한 문제로 인해 난항을 겪어 왔다.
미국 매사추세츠공대(MIT)와 하버드대 공동연구팀이 기존 문제점을 해결하고 안전한 '포름산염(formate)'으로 이산화탄소를 효율적으로 변환하는 새로운 공정을 개발했다.
이번 연구 성과는 국제학술지 '셀 리포트 피지컬 사이언스(Cell Reports Physical Science)'에 게재됐다.
연구팀의 쥐 리(Ju Li) MIT 교수에 따르면 이산화탄소를 연료로 변환하는 과정은 우선 이산화탄소를 칼슘과 합성해 탄산칼슘으로 고체화한다. 그리고 이를 가열해 이산화탄소를 배출함으로써 연료 원료가 되는 일산화탄소로 변환하는 두 가지 과정이 필요하다. 특히 2단계의 변환 효율이 낮아 일반적으로 원하는 연료 원료로 변환되는 것은 기체 이산화탄소의 20% 미만에 불과하다.
이번에 개발된 프로세스의 핵심은 1단계에서 이산화탄소를 중간 형태인 탄산수소염(중탄산염)으로 변환함으로써 비효율적인 가열 과정을 거치지 않는다는 점이다. 탄산수소염은 원자력 발전·풍력 발전·태양광 발전 등 저탄소 전기를 사용한 전해조에서 전기화학적으로 칼륨 용액이나 포름산나트륨 용액으로 변환된다. 이 액체를 건조시키면 안정적인 고형 분말을 생성할 수 있고 최대 수십년 동안 저장이 가능하다. 연구팀에 따르면 변환 효율은 90%에 달한다.
이산화탄소의 연료 변환 후보 중 하나인 메탄올의 경우, 유해 물질이고 누출 시 건강 피해를 일으킬 수 있다. 반면, 포름산염은 미국 안전 기준에서도 문제가 없다고 판정받았다.
이런 종류의 시스템은 지금까지 몇 가지 과제들이 있었다. 연구팀은 막의 재료와 구성 설계를 확인하고, 특정 부산물 축적으로 pH가 변화해 시간이 지날수록 효율이 떨어지는 문제를 열역학 모델링을 통해 pH를 정상 상태로 유지함으로써 해결했다. 테스트에서는 시스템을 200시간 가동해도 출력이 크게 저하되지 않았다.
또 부작용으로 인해 쓸모없는 다른 화학 생성물이 생기는 문제에 대해서도 이를 차단하는 탄산수소염이 풍부하게 함유된 완충층(fiberglass wool)을 추가함으로써 부작용을 방지하는 데 성공했다.
연구팀은 생성된 포름산염 연료를 사용한 발전에 최적화된 연료전지도 구축하고 있다. 리 교수는 "포름산염 입자를 물로 용해해 필요에 따라 펌프로 연료전지에 보내는 구조다. 수소 저장에 필요한 고압 탱크 무게나 부피를 고려하면 포름산염 연료는 저장 체적과 거의 동등한 전기출력을 얻을 수 있다"고 설명했다.