[나종걸 교수님 연구실] 이화여대 공동연구팀, 탄소저감 위한 친환경 에틸렌 대량생산 기술 개발

 

[스마트경제=복현명 기자] 이화여자대학교 연구팀이 지구 온난화 주범인 이산화탄소를 산업의 기초 원료인 에틸렌으로 전환하는 기술을 개발해 기후 변화 대응의 핵심 기술로의 발전이 기대된다.   

나종걸 이화여대 화공신소재공학전공 교수와 황윤정 서울대학교 화학부 교수, 원다혜 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 박사 공동연구팀은 이산화탄소를 전기화학적으로 전환시켜 석유화학산업의 기본 물질인 에틸렌을 생산하는 기술을 개발했다. 

공동연구팀은 전기화학적 이산화탄소 환원 반응 디바이스와 다중물리 시뮬레이션을 접목하는 방식으로 에틸렌 생산량에 영향을 미치는 물 공급 원리를 규명해 친환경 에틸렌 대량생산 기술에 근접하는 성과를 이뤘다. 

최근 불안한 국제정세가 원유, 원자재 가격의 급격한 상승을 초래하고 국제적인 탄소저감 규제가 기업경쟁력에 직접적인 영향을 미치는 가운데 이산화탄소를 전기화학적으로 전환해 유용한 화합물을 얻는 기술은 신재생에너지를 통해 발전한 전기에너지를 이용할 수 있기 때문에 탄소저감과 경제성을 동시에 달성할 수 있는 매우 중요한 기술로 꼽힌다. 

특히 해당 기술은 물 분자를 통해서 수소원자를 공급받기 때문에 물과 이산화탄소만 있으면 에틸렌과 같은 석유를 기반으로 하는 물질들을 친환경적으로 만들 수 있다. 하지만 상용공정 수준의 대량생산을 위해서는 반응 디바이스의 최적 운전조건을 찾아야 하고 이를 위해 물 분자가 어떤 방식으로 촉매층으로 공급되는지에 대한 명확한 이해가 필요하나 아직까지 이에 대한 근본적인 연구가 수행되지 못했다. 

연구팀은 물 분자 공급원리와 그 역할에 대한 근본적인 해답을 위해 중수소(deuterium) 표지 물 분자의 움직임을 관찰했고 양극액(anolyte)에서 멤브레인을 통해 넘어온 물 분자가 환원전극에서 이산화탄소와 반응하여 에틸렌을 생성한다는 것을 밝혀냈다. 

또한 연구팀은 전사유체역학 기반 다중물리 시뮬레이션을 통해 다양한 운전조건에 대해 평가한 결과 기존에는 기체확산층을 통해 공급된 가습 된 이산화탄소가 환원전극에서 주도적인 역할을 하는 것으로 이해됐으나 이는 촉매의 활성을 돕는 데 그치는 것이며 반응에 직접적으로 참여하는 물 분자는 양극액에서 공급된다는 설계인자를 얻을 수 있었다.

이번 연구는 한국연구재단의 ‘유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업’의 지원을 받아 수행됐다. 이화여대 나종걸 교수와 서울대 황윤정 교수가 교신저자로 참여하고 한국과학기술연구원 최웅 박사와 정원상 박사과정이 공동1저자로 원다혜 박사가 공동저자로 함께 수행한 이 논문 ‘Origin of Hydrogen Incorporated into Ethylene during Electrochemical CO2 Reduction in Membrane Electrode Assembly(막전극의 전기화학 CO2 저감 중 에틸렌에 포함된 수소원자의 기원)’은 지난 11일 에너지 분야 최상위 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’의 3월 표지논문 (Front Cover)로 게재됐다.

나종걸 이화여대 화공신소재공학전공 교수는 “이번 연구 결과의 핵심은 전기화학적 이산화탄소 전환 디바이스 성능에 지대한 영향을 미치는 물의 공급원리를 이해한 데 있다”며 “컴퓨터를 이용한 실험인 다중물리 시뮬레이션과 실제 화학실험을 접목시킨 성공적인 융합연구다. 본 연구를 통해 탄소제로 시대를 위한 이산화탄소 대량 전환 공정개발에 한걸음 가까워졌다고 생각한다”고 말했다.

 복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr

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