UPDATED. 2021-03-05 16:57 (금)
UNIST, 이산화탄소 없애면서 수소·전기 생산하는 시스템 개발
상태바
UNIST, 이산화탄소 없애면서 수소·전기 생산하는 시스템 개발
  • 김유정 기자
  • 승인 2021.01.20 11:15
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

UNIST 김건태 교수팀, 분리막 없어 더 간단한 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’ 개발
에너지 분야 세계적 권위지 Nano Energy 1.4일 게재
자발적 화학 반응 통해 이산화탄소를 수소와 전기로 바꾸는 시스템
[연구그림] 개발된 시스템(Membrane-free Mg-CO2 battery)의 충방전 에너지 사이클 모식도 /UNIST 제공

국내 연구진이 이산화탄소를 없애는 동시에 수소와 전기를 더 쉽고 빠르게 생각하는 새로운 시스템을 개발했다. 

온실가스 이산화탄소로 인한 기후변화 문제는 심각해지면서 쓸모없이 버려지는 이산화탄소를 화학적으로 전환해 메탄올이나 유기 화합물, 플라스틱과 같은 고부가가치 생성물로 만들어내는 기술(CCUS)이 주목받고 있다. 

이산화탄소에 화학적 변환에 필요한 에너지가 너무 커 실질적인 이런 기술이 활용되기 어려웠다. 이산화탄소를 전기 에너지 생산에 활용하는 금속-이산화탄소 전지(Metal-CO2 battery)도 연구되고 있지만 한계와 단점으로 인해 이산화탄소를 활용하면서도 제거할 수 있는 실용적이면서 효율적인 CCUS 기술 개발이 필요하다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 김건태 교수 연구팀은 시스템을 분리하는 멤브레인(분리막)이 필요없는 '멤브레인 프리(Membrane-free) 수계 금속-이산화탄소 배터리'를 개발했다고 20일 밝혔다. 

다양한 금속-이산화탄소 배터리 시스템 모식도 : 기존 선행 금속-이산화탄소 배터리 시스템(Organic Metal-CO2 battery)으로부터 현재까지 배터리 시스템의 발전 방향 가장 오른쪽이 이번에 개발한 멤브레인 (‘Membrane-free’ 금속-이산화탄소) 배터리임. 이산화탄소 활용 성능 및 가격 경쟁력이 향상되고 있음. /연구그림=UNIST 제공

김 교수 연구팀은 기존에 '수계 금속-이산화탄소 시스템'과 달리 전극 분리막이 없어 제조 공정이 간단하고 한 종류의 전해질만으로 지속적인 동작이 가능하다고 설명했다. 

이미 연구팀은 선행연구를 통해 수계 금속-이산화탄소 시스템을 세계 최초로 개발한 바 있는데 이 시스템은 이산화탄소가 녹아 산성화된 물에서 자발적으로 발생하는 화학 반응을 통해 이산화탄소를 수소와 전기로 바꾸는 시스템이다. 

멤브레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리는 음극(마그네슘 금속), 수계전해질, 양극(촉매) 만을 필요로 하다는 점에서 수소차 연료전지와 유사한 구조지만, 연료전지와 달리 촉매가 물속에 담겨져 있으며 음극과 도선으로 연결돼 있다. 물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작되어 이산화탄소는 사라지고 전기와 수소가 만들어지게 된다.

[전체 반응식] ‘화학반응(이산화탄소 용해 반응)’과 ‘전기화학반응(금속 산화 및 수소 발
생반응)’을 통해 이산화탄소는 제거되고, 전기 에너지가 생산되고, 수소가 부산물로 생성된다. /UNIST 제공

또 이 배터리는 수소 발생 효율이 92%로 높고 충전 반응에서 생성되는 산소와 염소도 유용하게 사용될 수 있다. 

Membrane-free Mg-CO2 battery 모식도 및 생성물 : 실제 시스템 방전 후, 이산화탄소가 변환되어 탄산마그네슘(MgCO3)염 고체형태로 형성된 것을 확인 할 수 있음. /연구그림=UNIST 제공

금속-이산화탄소 전지는 반응이 지속되면 전극에 쌓이는 고체생성물 때문에 전지용량이 떨어지는 단점이 있다. 전기 에너지를 생산하면서 고체 형태의 탄산염이 전극에 쌓이면서 방전 용량이 점점 줄어들고 안정성이 떨어지고, 이 전지를 충전할 때 이산화탄소가 재발생한다는 단점이 있다. 

연구팀이 개발한 시스템은 공정의 단순화 및 이산화탄소 활용 성능 향상을 이뤄내 이산화탄소가 쉽게 수용액에 녹는 성질을 활용해 이산화탄소 활용도를 극대화함과 동시에 수소 및 전지 에너지로 자원을 재활용할 수 있는 방안을 제시했다. 

동국대학교 기계시스템공학 전동협 교수는 "시뮬레이션 결과 멤브레인 프리 수계 금속-이산화탄소 배터리의 성능 저하 원인을 정밀하게 찾아낼 수 있었다"며 "정확한 문제점 진단으로 지금보다 향상된 이산화탄소 활용 배터리를 개발할 수 있을 것"이라고 기대했다. 

[연구진사진] (좌측부터) 김건태 교수, 김정원 연구원, 주상욱 연구원
(좌측부터) 김건태 교수, 김정원 연구원, 주상욱 연구원 /연구진사진=UNIST제공

김건태 교수는 "제조 과정은 단순화하면서 이산화탄소 활용도를 더 높인 '멤브레인 프리' 기술로 수계 금속-이산화탄소 시스템의 사용화를 앞당길 수 있을 것"이라며 "단순히 새로운 이산화탄소 활용 시스템 개발에 그치지 않고 더 많은 파생 연구로 이어질 것"이라고 말했다. 

이번 연구결과는 에너지 분야 세계적 권위지 '나노에너지'에 논문명 'Indirect surpassing CO2 utilization in membrane-free CO2 battery'로 1월 4일자 온라인 공개돼 출판을 앞두고 있다. 

해당 연구는 동국대 전동협 교수와 뉴 사우스 웨일즈 대학교의 리밍 다이 교수가 함께 참여했으며, 연구수행은 한국동서발전, 과학기술정보통신부-한국연구재단 등의 지원으로 이루어졌다. 


관련기사

댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

케미컬뉴스

  • 제호 : 케미컬뉴스
  • 법인명 : (주)액트원미디어
  • 등록번호 : 서울 아04656
  • 발행일 : 2017-08-01
  • 등록일 : 2017-08-17
  • 발행·편집인 : 유민정
  • 청소년보호책임자 : 김유정

NEWS SUPPLY PARTNERSHIP

  • 하단로고
  • 하단로고
  • 하단로고
  • 하단로고
  • 하단로고

CONTACT

  • Tel : 070-7799-8686
  • E-mail : news@chemicalnews.co.kr
  • Address : 서울특별시 동작구 상도로 82, 무이비엔 빌딩 5F 502호
  • 502, 5F, 82, Sangdo-ro, Dongjak-gu, Seoul (07041)

케미컬뉴스 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받는 바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
Copyright ©케미컬뉴스. All rights reserved.

ND소프트