이산화탄소 90% 이상을 고효율 연료화한다?

이산화탄소를 유용한 것으로 변환하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 그 중에서도 유망하다고 생각되는 게 안정된 연료로 변환해 화석연료 대신 이용하는 것. 하지만 이런 종류 변환 과정은 효율이 낮고 취급이 어려우며 독성이 있고 연료가 가연성이 되는 등 다양한 문제가 있다.

MIT공대와 하버드대학 연구팀은 이런 문제를 해결하고 안전한 포름산염으로 이산화탄소를 효율적으로 변환하는 프로세스를 개발했다. 연구팀에 따르면 이산화탄소를 연료로 변환하는 과정은 먼저 이산화탄소를 칼슘으로 합성해 탄산칼슘으로 고체화한 뒤 가열해 이산화탄소를 배출해 연료 원료가 되는 일산화탄소로 변환하는 2단계가 필요하다. 2단계 변환 효율이 낮고 보통 목적한 연료 원료로 변환되는 건 기체 이산화탄소 20% 미만 정도라고 한다.

새로운 공정 요점은 첫 단계에서 이산화탄소를 중간 형태인 액체 금속 중탄산염으로 전환해 비효율적인 가열을 필요로 하지 않는다는 점이다. 액체금속 중탄산염은 원자력 발전이나 풍력 발전, 태양광 발전 등 저탄소 전기를 사용한 전해조로 전기화학적으로 칼륨 용액이나 포름산나트륨 용액으로 변환할 수 있다. 이 액체를 건조시키면 안정된 고형 분말을 얻을 수 있다는 것이다. 변환 효율은 실제로 90%에 이른다.

이번에 연구팀은 액체 금속 중탄산염을 양이온 교환막 전해조를 이용해 전기화학적으로 변환해 96% 이상 효율로 포름산염 고체 결정으로 변환할 수 있다는 걸 확인했다. 이산화탄소를 연료로 전환할 때 후보 중 하나는 생산할 때 이산화탄소를 소비하는 메탄올이 있지만 메탄올은 유해물질이기 때문에 누출되면 건강상 피해를 일으킬 수 있다. 한편 포름산염은 미국 안전 기준에서도 문제없다고 판정되고 있다.

이런 종류 시스템에 대해 지금까지 몇 가지 어려움이 있었다. 이번에 연구팀은 막 재료와 구성에 대한 설계를 파악하고 이런 시스템에서 불가피한 특정 부산물 축적에 의해 pH가 변화하고 시간이 지남에 따라 효율이 저하되는 문제를 열역학 모델링에 의해 pH를 정상 상태로 유지해 해소, 테스트에서 시스템을 200시간 가동시켜도 출력상 대폭 저하는 보이지 않았다고 한다.

또 원하지 않는 부반응에 의해 도움이 되지 않는 다른 화학 생성물이 생성되는 문제에 대해서도 이런 반응을 차단하는 중탄산염을 풍부하게 포함한 유리섬유 울에 의한 완충층을 추가해 부반응을 막는데 성공했다.

연구팀은 생성된 포름산염 연료를 이용해 발전하기 위해 최적화된 연료전지를 구축하고 있다. 구조는 포름산염 입자를 물로 용해하고 필요에 따라 펌프로 연료전지에 보내는 것이다. 수소를 저장하는데 필요한 고압탱크 무게와 부피를 고려하면 포름산 연료는 주어진 저장 부피에 대해 거의 동등한 전기 출력을 얻었다고 한다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.