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기술과솔루션
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화학연, 기존 대비 2배 이상 향상된 세계 최고 성능의 CO2 전환용 음이온교환막 소재 기술 개발
2023.10.14 | 조회 : 856
첨부파일 :
- 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 전기화학공정의 핵심 소재인 고성능 고내구성 음이온교환막 개발 탄소중립 및 기후변화의 해결 방법 중 하나로 이산화탄소의 활용 기술이 주목받고 있는 가운데, 국내 연구진이 세계 최고 성능과 내구성을 확보한 전기화학적 이산화탄소 전환용 음이온교환막 소재 기술을 개발했다. 한국화학연구원(원장 이영국) 이장용 박사 연구팀과 한국과학기술연구원(원장 윤석진) 원다혜·이웅 박사 연구팀은 이산화탄소(CO2)를 유용한 화학 원료인 일산화탄소(CO)로 전환하기 위한 전기화학 공정 핵심 소재의 성능과 내구성을 기존 해외 소재 대비 월등히 향상시켰다. 연구팀이 개발한 음이온교환막 소재는 향후 전기화학적 이산화탄소 전환공정의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 유사한 전기화학 장치인 수전해, 연료전지 등에도 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구의 개념도  이산화탄소가 일산화탄소로 전환되는 전기화학 셀(반응기)의 핵심 화학소재인 음이온교환막(중심 부분) - 논문명(영): Membrane Engineering Reveals Descriptors of CO2 Electroreduction in an Electrolyzer(ACS Energy Letters 4월호 게재) - 논문명(국): 고효율 이산화탄소 전환을 위한 분리막 설계의 비밀을 풀다. 일산화탄소는 알코올, 플라스틱 등 다양한 화학제품의 기초물질로서, 중요한 산업원료이다. 따라서 기후변화의 주요 원인으로 손꼽히는 이산화탄소를 유용한 자원인 일산화탄소로 전환하기 위한 여러 기술이 개발되고 있다. 그중 전기화학적 전환공정은 에너지를 적게 소비하고 공정이 간단하여 차세대 CCU* 기술로 주목받아, 관련 상용화 연구가 활발하게 이루어지고 있다. * 이산화탄소 포집 및 활용(Carbon Capture and Utilization) 전기화학적 이산화탄소 전환공정의 상용화를 위해서는 공정을 이루고 있는 ‘음극 소재’, ‘양극 소재’, ‘음이온교환막 소재*’의 성능이 모두 좋아야 하지만, 그중 음이온교환막 소재는 기술적 난이도가 높아 연구개발이 더디게 이루어져 공정의 상용화에 걸림돌이 되어왔다. * 음극의 이온을 양극으로 이동시키는 전해질 전기화학적 CO2의 CO 전환장치 분리막용 음이온교환 소재 및 분리막  개발된 전기화학적 CO2의 CO 전환장치 분리막용 고성능 음이온교환소재(HQPC-tmIM) 및 이를 이용해 제조한 고품위 분리막 특히 음이온교환막은 첫째로 음극의 음이온을 양극으로 잘 이동시키는 ▲ 성능이 좋아야 하고, 둘째로 공정에 적용했을 때 고온에서 안정적으로 오래 버틸 수 있는 ▲ 내구성이 좋아야 한다. 그러나 이러한 특성을 모두 만족시키는 소재 개발이 어려운 실정이었다. 현재 연구용으로 쓰이는 음이온교환막은 전량 해외 수입에 의존하는데, 열에 취약하여 내구성이 떨어지고, 이온전도가 낮아 성능도 좋지 않다. 그럼에도 불구하고 소재 개발의 기술적 난이도가 높아 이를 뛰어넘는 소재가 개발되지 못했다. 이에 공동연구팀은 분자량을 키우는 기술을 적용해 튼튼한 ‘폴리카바졸계’ 고분자 소재를 만들고, 여기에 음이온이 잘 통과하는 화학적 특성을 부여해, 성능과 내구성이 모두 좋은 전기화학적 이산화탄소 전환용 음이온교환막을 국내 최초로 개발했다. 전기화학적 이산화탄소 전환용 단위셀 구성, 공정 모식도 및 전극 반응  이산화탄소가 가습기를 통해 가습된 상태로 음극으로 들어가고 음극에서 환원반응을 통해 일산화탄소와 수산화이온(OH-)으로 전환됨. 생성된 일산화탄소는 기체크로마토그래피를 통해 확인함. 수산화이온은 음이온교환막을 통해 양극으로 이동함. 양극에서는 음이온이 잘 이동할 수 있도록 지속적으로 양극액(0.1M KHCO3 용액)을 순환시켜줌. 음극으로부터 이동해온 수산화이온은 양극에서 산소와 물로 산화되어 전체 반응이 완결됨. 전기화학적 이산화탄소 전환 평가장치 및 단위 셀(전기화학 반응기)  실험에 사용된 전기화학 평가장치. 전기화학 반응기(단위 셀), 유량 조절계, 가습기, 전해액 펌프 및 기체크로마토그래피로 구성됨.
일반적으로 고분자 소재는 분자량이 클수록, 즉 사슬처럼 반복적으로 연결된 분자 덩어리가 클수록 내구성이 좋다. 이를 ‘고분자량화 기술’이라고 하는데, 연구팀은 화학연 만의 특허 보유 기술을 통해 음이온교환막의 소재를 튼튼하게 만들었다. 실험결과, 기존 소재가 열적 안정성이 낮아 상온에서만 구동하는 것과 달리, 신규 개발 소재는 60℃의 구동 조건에서도 150시간 동안 안정적으로 작동할 수 있었다. 또한, 연구팀은 고분자 소재에 유연한 나뭇가지 형태의 화학구조를 가진 ‘테트라메틸이미다졸륨기’를 도입해, 음극에서 반응 결과물로 생성된 수산화음이온(OH-)이 양극으로 잘 이동할 수 있도록 했다. 이를 통해 소재의 핵심 성능인 이온전도도를 향상시켰다. 개발 소재는 기존 해외 소재보다 2배 이상 향상된 일산화탄소 생산 성능을 기록하였다. 동일 조건(1KW 스택*, 1일)에서 기존 소재를 적용하면 하루에 최대 약 1.6kg의 일산화탄소를 생산할 수 있는 반면에, 화학연 개발 소재를 공정에 적용하면 하루에 최대 약 3.6kg의 일산화탄소를 최종 생산할 수 있다. * 1kw의 전기를 활용하는 전환공정 장치  기존 해외 소재와 신규 개발 소재의 전류밀도 그래프. 전류밀도는 일산화탄소 전환 성능, 즉 동일 에너지를 줬을 때 이산화탄소가 일산화탄소로 얼마나 많이 전환되느냐를 나타낸다. 그래프에서 모든 전압값에서 전류밀도가 기존 해외 소재보다 화학연 개발 소재가 최대 2.2배 더 높은 것을 보여준다. 또한, 신규 개발 소재와 기존 상용소재가 적용된 장치를 컴퓨터 시뮬레이션으로 각각 확인하여, 실제 실험결과를 이론적으로 규명할 수 있었다. 이를 통해 이산화탄소 전환 성능 향상을 위한 음이온교환막의 핵심 설계 요건을 명확하게 이론화했다. 연구자 사진  공동교신저자 한국화학연구원 이장용 박사(우), 공동 제1저자 한국화학연구원 양석환 박사과정(좌) 한국화학연구원 이영국 원장은 “이번 기술 개발로 선진국과의 에너지 분야 핵심 전해질 소재 기술 격차를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 향후 유관 기업과의 기술이전 및 상용화 추진을 통해 차세대 CCU 혁신 기술 개발의 지렛대가 되기를 기대한다.”라고 말했다. 이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ (IF: 22.0) 2023년 4월호에 발표되었다. 한편, 본 연구는 한국화학연구원과 과학기술정보통신부 ‘유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업’의 지원을 통해 수행됐다. ▲ 실험에 사용된 전기화학 평가장치. 전기화학 반응기(단위셀), 유량 조절계, 가습기, 전해액 펌프 및 기체크로마토그래피로 구성됨. < 연구진 소개 >
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