석탄 발전소의 온실 가스 배출량을 줄이는 데 탄소 포획이 도움이 될 수 있지만, 이 기술은 경제적인 문제로 현재까지 널리 사용되지 않고 있다. 하지만 포집된 탄소를 유용한 제품으로 바꿀 수 있게 된다면 상황이 달라질 수 있다.
미국 에너지부 (US Department of Energy) 소속 아이다호 국립 연구소 (Canadian Idaho National Laboratory) 과학자들은 포획된 이산화탄소를 신가스(syngas)로 전환시킬 수 있는 효율적인 프로세스를 개발했다고 보고했다. 신가스는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 혼합된 기체로, 연료 및 화학 물질 제조에 사용될 수 있다. 관련 연구는 Green Chemistry에 게제되었다 (DOI : 10.1039/C7GC03069J).
이산화탄소(CO2)의 탄소를 재사용하기 위한 전통적인 방법은 고온과 고압을 필요로 하는 환원 단계를 이용하는 것이었다. 낮은 온도에서 이산화탄소는 유용하게 될 수 있을 만큼 충분히 물에 녹아있지 않다. 이번에 개발한 공정은 이산화탄소를 보다 잘 녹게 만드는 특수 물질을 사용하는 것이다. 이를 이용하면 탄소 포획 매질이 신가스로 전기화학적으로 전환될 수 있도록 직접 전지에 넣는다고 연구팀은 보고했다. 이번 연구가 최초로 포획된 이산화탄소로부터 신가스가 직접 생산되는 것을 보여준 것이라고 연구진은 주장했다.
새롭게 기술된 공정은 극성(polarity)이 전환이 될 수 있는 용매(SPS)를 사용하는 것이다. 이들 용매들은 화학 물질에 노출되면 극성이 바꿀 수 있다. 이런 특징은 어떤 분자를 용매에 녹일 것인지를 조절할 수 있게 해 준다.
전기 화학 전지에서, 양극에서 물 산화가 일어나면서 산소 기체와 수소 이온이 방출되는데, 이 물질들이 멤브레인을 통해 음극으로 이동하게 된다. 그 곳에서 수소 이온은 중탄산염과 반응하게 되며, SPS에 이산화탄소가 포획된 형태가 되고, 전기화학 환원 및 신가스 형성을 위해 이산화탄소가 배출되도록 허용하게 된다. 이산화탄소가 방출되면 SPS의 극성은 물에 녹지 않는 형태로 전환되면서 탄소 포획 미디아의 회수와 재사용을 허용하게 된다.
연구팀은 황산 칼륨을 첨가하면 전해질 전도도가 47 % 증가하여 효율적으로 신가스를 생산할 수 있음을 발견했다. 신가스가 상당한 전류 밀도에서 포획된 이산화탄소로 부터 생산이 가능해 질 때, 산업 응용을 위한 공정 기회가 높아질 것이다. 고압과 고온이 필요한 기존 방법과는 달리 SPS-기반으로 개발된 이번 공정은 25 ℃ 및 40psi에서 최상의 결과를 나타냈다고 연구팀은 주장했다.
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