환경을 위한 기술, CO2RR
- 편집팀
- 2월 16일
- 4분 분량
우리는 기후 위기에 시달리고 있습니다. 계절의 변화만 봐도 기후 위기, 특히 지구온난화에 대한 영향을 피부로 느낄 수 있습니다. 지구온난화의 주된 원인으로 지목되고 있는 CO₂를 줄이기 위해 여러 기술들이 연구되고 있고 그중 하나는 CO2RR입니다.
이산화탄소 환원 반응(CO2RR)은 CO₂를 전기화학적 반응을 통해 연료, 화학 물질과 같은 유용한 자원으로 변환하는 과정으로, 탄소 중립 실현의 열쇠가 될 수 있습니다. 특히, 재생 가능 에너지와 결합할 경우, 이 기술은 환경과 경제적 이익을 동시에 달성할 수 있는 가능성을 제시합니다.
CO2RR이란?
이산화탄소 환원 반응(CO2RR)은 CO₂를 더 낮은 산화 상태의 화합물로 변환하는 화학 반응을 의미합니다. 전기화학적 방법과 촉매를 활용해 CO₂를 일산화탄소(CO), 메탄(CH₄), 에탄올(C₂H₆O) 등 다양한 유용한 화합물로 전환할 수 있습니다. 이 과정은 기후변화 대응의 핵심 기술로, 대기 중 CO₂ 농도를 줄이는 동시에 새로운 자원으로 활용 가능하다는 점에서 큰 잠재력을 지니고 있습니다. CO2RR을 위해 주요하게 필요한 요소는 촉매, 전압 그리고 전해질입니다.
CO₂는 화학적으로 매우 안정된 분자이기 때문에 환원 반응이 어려운 편이기 때문에 금속 촉매(구리, 은, 금 등)가 사용됩니다. 구리(Cu)는 메탄, 에탄올과 같은 유용하게 사용할 수 있는 화합물을 생성할 수 있어 대표적인 촉매로 주목받고 있습니다. 최근에는 금속-유기 골격체(MOF)와 같은 복합 촉매 연구도 활발히 진행 중입니다. 전압과 전해질 역시 매우 중요한데 전압의 크기와 조절 방식에 따라 생성되는 산물의 종류와 반응 효율이 결정되고 물을 기반으로 하는 전해질을 사용하냐 또는 그러지 않는 전해질을 사용하냐에 따라 반응 경로와 생성물이 달라질 수 있습니다.
CO2RR의 장점
CO2RR의 첫 번째 장점은 기후 변화의 완화입니다. CO2RR은 대기 중 CO₂ 농도를 줄여 지구온난화를 완화하는 데 기여합니다. CO₂는 지구온난화의 가장 큰 영향을 끼치는 온실가스 중 하나로, 이를 줄이는 것은 기후 위기 해결의 필수 요소입니다. CO2RR 기술은 대기중의 CO₂를 포집하고 재활용하여 환경 파괴를 완화시킬 수 있습니다.
두 번째 장점은 자원의 재활용입니다. CO2RR은 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 변환하여 자원 재활용의 가능성을 열어줍니다. 일산화탄소(CO), 메탄(CH₄), 에탄올(C₂H₆O)과 같은 화합물은 화학 공정의 원료로 사용될 수 있고 CO₂에서 합성된 에탄올이나 메탄은 재생 가능한 연료로 활용 가능하며, 화석 연료의 대체재 역할을 할 수 있습니다.
세 번째 장점은 재생 에너지와의 융합 가능성 CO2RR은 태양광, 풍력 등 재생 가능 에너지와 결합해 더욱 친환경적인 화학 공정을 구현할 수 있습니다. 재생 에너지를 사용하여 CO₂ 환원 반응을 진행하면, 전체 과정에서 추가적인 탄소 배출 없이 화학물질과 연료를 생산할 수 있습니다. 또한, CO₂로부터 생성된 화합물은 재생 가능 에너지의 변동성을 보완하는 에너지 저장 매체로도 활용될 수 있습니다.
네 번째 장점은 산업적 활용 가능성입니다. CO2RR 기술은 다양한 산업 분야에서 응용 가능성이 높습니다. 화학 산업에서는 기존의 화석 연료 기반 화학 공정을 대체할 수 있고 에너지 산업에서는 청정 연료 생산과 에너지 저장 기술에 활용 가능하고 농업에서는 CO₂를 기반으로 합성된 화합물은 비료나 농업용 자원으로 사용할 수 있습니다.
다섯 번째 장점은 지속 가능한 경제 모델을 구축할 수 있다는 것입니다. CO2RR은 경제성과 환경성을 동시에 고려한 지속 가능한 경제 모델을 제공합니다. CO₂를 단순히 폐기물이 아닌 유용한 자원으로 전환하여 경제적 가치를 창출합니다. 탄소 배출 감소와 새로운 고부가가치 제품 생산을 통해 환경과 경제 간 균형을 맞출 수 있습니다.
CO2RR의 한계와 극복
CO₂는 화학적으로 매우 안정된 분자이기 때문에 이를 환원하려면 높은 에너지와 효율적인 촉매가 필요합니다. 그러나 현재 사용되는 촉매(구리, 은, 금 등)는 특정 산물을 생성하는 데 효과적이지만, 전환 효율과 내구성이 여전히 제한적입니다. 더불어 촉매가 반응 경로를 효과적으로 제어하지 못하면 원하는 산물이 아니라 다양한 부산물이 생성될 수 있습니다. CO2RR은 여러가지 고부가가치 화합물을 생산할 수 있지만 그것들을 선택적으로 생산하기 위해 촉매 구조, 반응 전압, 전해질 조건 등을 미세하게 조정하여 정밀하게 제어해내는 기술이 부족합니다. 이러한 기술들이 부족하면 CO2RR 공정을 장기간 안정적으로 운영하는 데에도 영향이 갑니다. 반응이 진행됨에 따라 촉매 표면이 손상되거나 활성도가 저하되는 문제가 생길 수도 있고 전극 소재가 반복적인 전기화학 반응 과정에서 부식되거나 비효율적으로 변할 가능성이 있습니다.
과학자들은 현재 이러한 문제점들을 극복하기 위해 여러 노력을 하고 있습니다. 저비용 고효율 촉매 개발을 위해 기존에 보던 금속 촉매뿐만 아니라 나노소재와 금속-유기 골격체(MOF) 등을 연구하고 있습니다. 안정적이고 친환경적인 전력 생산을 위해재생 가능 에너지와 결합하여 에너지 효율을 높이고 탄소 배출을 줄이는 방향으로 기술이 발전하고 있고 실험실 단계를 넘어 산업적 규모로 확장하기 위한 공정 설계와 시스템 통합 기술이 개발되고 있습니다.
CO2RR의 응용 및 미래 전망
CO2RR은 여러 가지 방법으로 응용될 수 있는데 그중 하나가 화학 공정의 혁신입니다. CO2RR 기술은 기존 화학 공정을 보다 친환경적으로 전환할 가능성을 제시합니다. CO₂에 들어있는 탄소는 다양한 화학 제품(예: 플라스틱, 의약품, 비료)의 원료로 사용할 수 있습니다. 또한, CO₂를 직접적으로 활용해 에틸렌(C₂H₄)과 같은 다중 탄소 화합물을 생산함으로써 석유화학 공정을 대체할 수 있습니다.
탄소 중립과 같은 환경적인 요소는 CO2RR에 있어 매우 중요한 가치입니다. CO₂를 포집하고 CO2RR 기술을 통해 고부가가치 제품으로 전환하는 과정은 탄소 배출 없는 순환형 공정을 가능하게 하고 산업 폐가스에서 배출된 CO₂를 직접 재활용하여 경제적·환경적 이점을 제공합니다. 그리고 재생 가능 에너지와의 연계를 통해 탈탄소화를 이루어낼 수 있습니다.
CO2RR은 단순한 기술 혁신을 넘어 환경과 경제를 통합하는 중요한 열쇠가 될 것으로 보입니다. 이 기술이 상용화된다면, 전 세계적으로 탄소 중립을 실현하고 지속 가능한 경제를 구축하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다. 기업과 연구기관은 비용 효율성을 높이고 생산성을 강화하기 위해 지속적인 투자와 협력을 이어가고 있으며, 이 기술은 가까운 미래에 화학 산업 및 에너지 분야의 패러다임을 바꿀 가능성이 큽니다. CO2RR은 탄소 배출 없는 세상을 향한 혁신적인 발걸음이 될 것입니다.
김태이 학생기자 | Chemistry & Biology | 지식더하기
참고자료
[1]"Dream or Reality? Electrification of the Chemical Process Industries". www.aiche-cep.com. Retrieved 2021-08-22.
[2] "CO2 Electrolyzers With Record Performance". Dioxide Materials. Retrieved 2021-07-04.
[3] Highly efficient electrocatalytic CO2 reduction over pyrolysis–free conjugated metallophthalocyanine networks in full pH range, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122803
첨부 이미지 출처
[1] A brief review of the computational modeling of CO2 electroreduction on Cu electrodes
[2] 수소를 더 효율적으로 저장하는 금속 스폰지(MOF) 개발
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