▲ [사진제공 = 서울대학교 공과대학]

서울대학교 공과대학(학장 차국헌)은 재료공학부 남기태 교수 연구팀이 세계 최초로 자연계의 생체연료 합성시스템을 모방한 전기화학적 이산화탄소 전환기술을 개발해 이산화탄소로부터 신개념 탄소중립연료(e-fuel: electricity-based fuel)인 연료용 카보네이트 합성에 성공했다고 9일(금) 밝혔다.

서울대학교 재료공학부 남기태 교수 연구팀은 자연계가 생체연료를 합성 시에 사용하는 핵심 원리를 전기화학적 이산화탄소 전환에 적용시켜 현재까지 제안된 적 없는 새로운 전기화학적 이산화탄소 전환시스템 구축에 성공했다.

적은 전기에너지 비용만으로도 고부가가치의 생성물을 만들 수 있는 고효율 시스템을 개발함으로써 앞으로 이산화탄소 전환 및 활용 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다. 대기 중 온실가스의 농도를 줄이는 것은 현재 인류의 최우선 과제다. 세계 각국은 2050년 탄소중립선언과 함께 탄소규제를 더욱 강화하고 있으며 탄소중립을 실현하려면 탄소 배출량을 줄이는 노력뿐 아니라 배출된 이산화탄소를 고부가가치의 화합물로 전환하는 기술은 필수적이다.

온실가스 배출량을 줄이기 위한 전 세계적 대응이 본격화되면서 최근에는 탄소중립연료인 ‘e-fuel’이 주목받고 있다.

‘e-fuel’은 전기에너지를 활용해 이산화탄소를 고부가가치의 화합물로 전환하는 기술이다. 태양력, 풍력과 같은 친환경적인 에너지를 에너지원으로 사용해 온실가스도 줄이고 유용한 제품도 생산할 수 있어 탄소중립 사회를 구현할 수 있는 핵심기술로 전망된다.

기존의 이산화탄소로부터 ‘e-fuel’을 생산하는 기술 원리는 다음과 같다.

예를 들어, 우리가 가솔린을 태우면 가솔린 분자가 산화돼 이산화탄소로 변하면서 자동차 엔진을 움직이는 동력을 공급한다. 반대로 이산화탄소를 전기에너지를 이용해 환원시키면 전자가 이산화탄소 속으로 주입되면서 가솔린과 같이 에너지가 높은 연료로 전환될 수 있다. 현재까지의 전기화학적 이산화탄소 전환연구들은 이같은 환원 과정만을 통해 이산화탄소보다 에너지가 높은 일산화탄소, 개미산, 에틸렌과 같은 물질을 만들어왔다. 하지만 이 방법은 에너지가 높은 물질을 얻기 위해서는 그만큼 더 많은 전기 값이 발생한다는 한계가 있다. 따라서 현재까지의 이산화탄소의 전기화학적 전환기술의 상용화를 위해서는 경제성이 낮아 산업계와 학계는 새로운 돌파구를 찾고 있다.

서울대학교 재료공학부 남기태 교수 연구팀은 자연계가 생체연료를 합성하는 원리를 전기화학적 이산화탄소 전환시스템에 적용함으로써 ‘e-fuel’ 생산기술에 새로운 돌파구를 제시했다. 생명체는 생체연료를 합성하는 과정에서 전자를 전달하는 매개체를 통해 만들어진 연속적인 전자전달 흐름을 활용한다.

연구팀은 이런 전자흐름을 모방해 전자가 이산화탄소 안으로 주입되는 것에서 끝나지 않고 전자전달 매개체를 통해 다시 빠져나와 용액을 통해 연속적으로 흘러갈 수 있는 새로운 전기화학적 이산화탄소 전환시스템을 개발했다.

결과적으로는 기존에 이산화탄소를 환원시키는 방법과는 전혀 다른 새로운 방법론을 제안했으며 현재까지 불가능하다고 생각됐던 이산화탄소로부터 카보네이트 화합물의 합성을 가능하게 했다. 이는 현재까지 환원된 형태의 생성물로 한정돼 있었던 이산화탄소로부터 생성 가능한 ‘e-fuel’ 생산물의 범위를 확장했다는 점에서 큰 의미가 있다.

‘e-fuel’ 합성 시스템은 적은 전기에너지 비용으로도 고부가가치의 화합물을 형성할 수 있게 하는 혁신적인 시스템이다. 서울대학교 재료공학부 남기태 교수 연구팀이 합성한 다이메틸카보네이트(이하 DMC)는 가솔린 및 디젤의 연료 첨가제로 사용될 수 있을 뿐 아니라 폴리머 제조 및 의약, 배터리 등 다양한 산업 분야에 활용될 수 있다. 이런 높은 활용 가치 때문에 DMC의 시장가는 기존 이산화탄소 전환으로 얻을 수 있는 개미산과 비교했을 때 약 3배 이상의 시장가치가 있다.

반면 DMC를 생산하는 데 필요한 전기에너지는 개미산과 비슷한 수준인 3.5kWh/kg로 2030년 태양광 발전 단가가 94.2원/kWh임을 고려했을 때 연구팀이 개발한 시스템을 사용하면 약 330원의 전기에너지 비용으로 DMC 1kg을 생산할 수 있다. 적은 전기에너지 대비 높은 시장가를 가지는 생산물을 합성 가능한 새로운 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환기술 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것으로 기대된다.

남기태 서울대학교 재료공학부 교수는 “이번 성과는 세계 최초로 전기에너지를 활용해 상온에서 이산화탄소로부터 카보네이트 화합물을 합성했다는 방법을 제시했다는 점에서 혁신적이며 이산화탄소 저감기술에 중요한 역할을 할 것으로 예상한다”며 “적은 전기에너지 비용으로도 고부가가치의 화합물 합성을 가능하게 하는 새로운 개념의 이산화탄소 전환시스템을 개발함으로써 추후 이산화탄소 전기화학적 이산화탄소 전환기술에 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 연구의 제1 저자인 이규민, 장준호 연구원은 현재 각각 서울대학교에서 석사 및 박사 과정을 수행 중이다.

이번 연구는 미래소재 디스커버리 사업, 중견연구자 지원사업, 나노 미래소재원천기술개발사업, 자연묘사혁신기술개발 사업의 지원을 받았다. 연구내용은 세계적인 국제학술지인 네이처 에너지(Nature Energy)에 7월 9일 온라인 출판으로 개재됐다. 네이처 에너지는 에너지 분야 세계 최고 권위의 학술지로 Impact factor(영향력지수)는 2020년 기준 60.85이다.