습식 가스로부터 탄소를 포획하는 새로운 결정

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-10-20
미세 기공(micropore)을 가지는 새로운 재료가 기후 변화(climate change)를 제어할 수 있는 방안이 될 것으로 기대된다. 스웨덴 스톡홀름 대학(Stockholm University) 재료 및 환경 과학과(Department of Materials and Environmental Chemistry) 소속의 Osamu Terasaki 교수를 주축으로 하는 연구진이 새롭게 개발한 결정은 물이 존재하는 조건에서도 기존에 알려져 있는 재료보다 훨씬 더 효율적으로 탄소를 포획한다. 관련 연구는 과학 저널인 사이언스에 최근 발표됐다. 이 논문의 제목은 “미세 기공성 구리규산염을 이용한 습한 대기 및 습한 연도 가스(humid flue gases)로부터 이산화탄소 포획(CO2 capture from humid flue gases and humid atmosphere using a microporous coppersilicate)”이다. 발전소에서 배출되는 연도 가스(flue gas)와 같은 전형적인 가스 흐름으로부터 이산화탄소(carbon dioxide)를 추출하는 것은 해결하기 어려운 난제이다. 그 이유는 가스 흐름에 함유되어 있는 물이 이산화탄소 흡착(CO2 absorption)을 방해하는 경향이 있으며, 흡수성 재료의 성능을 감퇴시키기 때문이다. Terasaki 교수를 주축으로 하는 연구진은 위에서 언급한 문제를 피할 수 있는 미세 기공 구리 규산염(microporous copper silicate) 재료를 개발하는 데 성공했다. 다공성 재료를 이용하여 대기와 습식 연도 가스로부터 이산화탄소를 포획하는 것은 가스의 사전 탈수(dehydration)가 필요하기 때문에 고가의 비용이 소요된다. 물리적 흡착 용량(physical adsorption capacity)을 가지는 다수의 마이크로 기공을 가지는 재료는 이산화탄소 포획 재료로 개발되어 왔다. 그러나 개발된 이산화탄소 포획 재료의 대부분은 대기와 습식 연도 가스에 노출될 때 물이 함께 흡수되는 현상으로 유발된 구조적 분해(structure decomposition) 또는 이산화탄소 수착 능력(CO2 sorption capacity) 감소로 어려움을 겪고 있다. 대부분의 다른 재료가 동일한 위치에서 물과 이산화탄소를 모두 흡수하는 위치를 가지고, 두 가지 물질이 흡착 반응에 대한 경쟁이 일어날 때, 물이 우세하게 흡착되는 경향을 나타낸다. 비록 이산화탄소가 여전히 물을 흡수한다고 하더라도, 흡착 재료는 이산화탄소 흡착 위치를 분리해야 한다. 또 흡수한 물에도 불구하고 우수한 안정성을 나타낼 필요가 있으며 재사용될 필요가 있다. 기후 변화를 완화시키는 방안 중 하나는 공기로부터 이산화탄소를 포획하는 것이다. 대기 중에는 물이 존재하여 이산화탄소의 흡착을 방해하기 때문에, 지금까지 대기로부터 이산화탄소를 포획하는 것은 어려운 난제로 간주되어 왔다. 스톡홀름 연구진은 물과 이산화탄소에 대한 다른 흡착 위치를 가지는 결정 내에 미세 기공이 있는 안정적이고 재활용이 가능한 재료를 제안했다. Terasaki 교수는 새롭게 개발된 재료가 습도(humidity)가 존재하는 조건에서 효율적인 방식으로 이산화탄소를 포획하는 최초의 재료라고 밝혔다. 기존의 다른 방법들은 물과 이산화탄소 사이에 경쟁(competition)이 있으며, 이러한 경쟁에서는 일반적으로 물이 우세하게 이긴다. 새로운 재료는 물과 이산화탄소를 모두 흡수하지만, 이산화탄소의 흡수가 엄청나다고 Terasaki 교수는 밝혔다. 매우 안정적인 미세 기공성 구리 규산염은 물 특정 흡착 위치와 이산화 특정 흡착 위치를 가지고 있지만, 물/이산화탄소가 공유하는 위치를 가지고 있지 않는다. 따라서 습식 연도 가스와 대기로부터 이산화탄소와 물을 모두 흡수할 수 있지만, 흡수된 물이 이산화탄소 흡착을 방해하지 않는다. 또 물과 이산화탄소가 열수 반응에 의해 합성되기 때문에 흡착된 후 매우 안정적이다. 이산화탄소는 항상 수분과 함께 생성되고, 연구진은 습식 가스로부터 이산화탄소를 포획할 수 있었다고 밝혔다. 이러한 새로운 결정은 다른 시스템과 결합되어 개발될 예정이며, 폐기용 탄소는 새로운 유용한 화합물로 사용될 수 있다. Osamu Terasaki 교수는 지속적인 연구가 수행되고 있기 때문에, 5년 이내에 유용한 화합물로 탄소를 회수할 수 있는 방안이 모색될 것이라고 밝혔다. 가장 어려운 부분은 이산화탄소의 포획이고, 연구팀이 최근 이러한 방안에 대한 해결책을 확보했다고 Osamu Terasaki 교수는 덧붙였다. 3011037_nanowerk_20151017_fig1.jpg http://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=41624.php