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‘이런게 일석삼조’-온실가스 없애면서 동시에 전기와 수소도 생산

하이브리드 나트륨-이산화탄소 시스템에서 반응이 일어나는 과정. [그림 UNIST]

하이브리드 나트륨-이산화탄소 시스템에서 반응이 일어나는 과정. [그림 UNIST]

울산과학기술원(UNIST), 세계 최초 개발 
 
지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 없애면서 동시에 전기와 수소도 생산할 수 있는 ‘일석삼조(一石三鳥)’의 시스템이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.  
 
울산과학기술원(UNIST)은 10일 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수팀이 이산화탄소를 활용해 전기와 수소를 생산하는 기술인 ‘하이브리드 나트륨 금속-이산화탄소 시스템’을 개발했다고 밝혔다. 이 시스템은 물에 녹인 이산화탄소를 활용하는 전지인데, 작동 과정에서 이산화탄소는 제거하고 전기와 수소를 생산한다.
 
연구진은 이산화탄소를 흡수해 산성화되는 바다의 작동원리에 주목했다. 이산화탄소를 물에 불어넣어 산성도가 높아지게 하면 양성자가 많아져 전자를 끌어당기는 힘이 세지는데, 이를 이용해 전지 시스템을 만들면 이산화탄소를 제거하고 전기도 생산할 수 있다고 본 것이다.
 
하이브리드 나트륨-이산화탄소 시스템은 연료전지처럼 음극과 분리막ㆍ양극으로 구성된다. 다른 전지와 달리 촉매가 물속에 담겨 있으며, 음극과 도선으로 연결된 상태다. 물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작돼 이산화탄소는 최종적으로 베이킹소다(NaHCO₃)로 불리는 탄산수소나트륨 형태로 변하고 전기와 수소가 만들어진다. 이때 이산화탄소의 전환 효율은 50%에 달한다. 물속에 불어넣은 이산화탄소 중 절반이 탄산수소나트륨으로 바뀐다는 얘기다.  
 
김정원(25) UNIST 에너지공학과 석ㆍ박사통합과정 연구원(공동 제1저자)은 “이산화탄소의 전환 효율과 수소의 발생 효율을 정량 분석한 결과, 이산화탄소를 지속적으로 소모하면서 수소와 전기를 동시에 생산한다는 걸 입증했다”고 전했다. 실제로 이 시스템은 전극의 손상 없이 1000시간 이상 작동되는 안정성을 보였다.  
 
김창민(27) UNIST 에너지공학과 석ㆍ박사통합과정 연구원(제1저자)은 “이산화탄소를 물에 불어넣기 위한 펌프질 외에는 다른 어떤 에너지도 들어가지 않는 상태에서 전기와 수소를 생산하고 이산화탄소를 제거할 수 있어 매우 효율적”이라고 설명했다.
 
UNIST 연구진의 하이브리드 나트륨 금속-이산화탄소 시스템은 연구실 단위의 소규모로 만든 시설이지만, 당장에라도 대규모 시스템으로 만들 수 있다. 이 때문에 발전소와 제철소 등 이산화탄소를 많이 배출하는 국내외 기업들이 벌써UNIST 측에 기술 도입을 문의해오고 있는 것으로 알려졌다.  
이산화탄소를 이용해 수소와 전기를 생산하는 전지 시스템을 개발한 UNIST 연구진_왼쪽 위부터 시계 방향으로 김건태 교수, 주상욱 연구원, 김정원 연구원, 김창민 연구원. [사진 UNIST]

이산화탄소를 이용해 수소와 전기를 생산하는 전지 시스템을 개발한 UNIST 연구진_왼쪽 위부터 시계 방향으로 김건태 교수, 주상욱 연구원, 김정원 연구원, 김창민 연구원. [사진 UNIST]

 
김건태 교수는“이번 연구는 단순히 새로운 이산화탄소 활용 시스템에 그치지 않고 더 많은 파생 연구로 이어질 것”이라며 “전해질과 분리막, 시스템 설계, 전극 촉매 등이 개선되면 더 효과적으로 이산화탄소를 줄이면서 수소와 전기를 생산할 수 있을 것”이라고 내다봤다.  
 
이번 연구는 미국 조지아공대 메이린 리우 교수도 함께 참여했다. 연구결과는 세계적 과학저널 셀의 자매지인 ‘아이사이언스(iScience)’ 11월 30일자에 게재됐다.  
 
최준호 기자 joonho@joongang.co.kr
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