대기 중 온실가스의 농도를 줄이는 것은 인류의 당면과제다. 2050년 탄소중립선언과 함께 탄소규제는 더욱 강화되고 있다. 

탄소중립을 실현하기 위해서는 탄소 배출량을 줄이는 노력에다 배출된 이산화탄소를 고부가가치의 화합물로 전환하는 기술이 반드시 필요하다.  

온실가스 배출량을 줄이기 위한 노력의 일환으로 최근 탄소중립연료 ‘e-fuel’이 주목받고 있다. ‘e-fuel’은 전기에너지를 활용해 이산화탄소를 고부가가치의 화합물로 전환하는 기술이다. 태양력, 풍력과 같은 친환경적인 에너지를 에너지원으로 사용해 온실가스도 줄이고 유용한 제품도 생산할 수 있어 탄소중립 사회를 구현할 수 있는 핵심기술로 전망된다. 

기존의 이산화탄소로부터 ‘e-fuel’을 생산하는 기술 원리는 산화와 환원의 원리와 통한다. 가솔린을 태우면 가솔린 분자가 산화돼 이산화탄소로 변하면서 자동차 엔진을 움직이는 동력을 공급한다. 반대로 이산화탄소를 전기에너지를 이용해 환원시키면 전자가 이산화탄소 속으로 주입되면서 가솔린과 같이 에너지가 높은 연료로 전환될 수 있다. 

현재까지의 전기화학적 이산화탄소 전환연구들은 이같은 환원 과정만을 통해 이산화탄소보다 에너지가 높은 일산화탄소, 개미산, 에틸렌과 같은 물질을 만들어왔다. 하지만 이 방법은 에너지가 높은 물질을 얻기 위해서는 그만큼 더 많은 전기 값이 발생한다는 한계가 있다. 따라서 현재까지의 이산화탄소의 전기화학적 전환기술의 상용화를 위해서는 경제성이 낮아 산업계와 학계는 새로운 돌파구를 찾고 있다. 

서울대 공대 재료공학부 남기태 교수 연구팀이 새로운 돌파구를 제시했다. 남 교수팀은 전기화학적 이산화탄소 전환기술을 개발했다고 9일 밝혔다. 이는 자연계의 생체연료 합성시스템을 모방한 세계최초의 기술로 이산화탄소로부터 신개념 탄소중립연료(e-fuel: electricity-based fuel)인 연료용 카보네이트 합성에 성공했다는 것을 의미한다. 

남기태 교수 연구팀은 자연계가 생체연료를 합성 시에 사용하는 핵심 원리를 전기화학적 이산화탄소 전환에 적용시켰다. 이원리로 현재까지 제안된 적 없는 새로운 전기화학적 이산화탄소 전환시스템 구축에 성공했다. 

적은 전기에너지 비용만으로도 고부가가치의 생성물을 만들 수 있는 고효율 시스템을 개발함으로써 앞으로 이산화탄소 전환 및 활용 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.

남기태 교수 연구팀은 자연계가 생체연료를 합성하는 원리를 전기화학적 이산화탄소 전환시스템에 적용함으로써 ‘e-fuel’ 생산기술에 새로운 돌파구를 제시했다. 생명체는 생체연료를 합성하는 과정에서 전자를 전달하는 매개체를 통해 만들어진 연속적인 전자전달 흐름을 활용한다. 

연구팀은 이런 전자흐름을 모방해 전자가 이산화탄소 안으로 주입되는 것에서 끝나지 않고 전자전달 매개체를 통해 다시 빠져나와 용액을 통해 연속적으로 흘러갈 수 있는 새로운 전기화학적 이산화탄소 전환시스템을 개발했다. 

결과적으로는 기존에 이산화탄소를 환원시키는 방법과는 전혀 다른 새로운 방법론을 제안했으며 현재까지 불가능하다고 생각됐던 이산화탄소로부터 카보네이트 화합물의 합성을 가능하게 했다. 현재까지 환원된 형태의 생성물로 한정돼 있었던 이산화탄소로부터 생성 가능한 ‘e-fuel’ 생산물의 범위를 확장했다는 점에서 큰 의미가 있다. ‘e-fuel’ 합성 시스템은 적은 전기에너지 비용으로도 고부가가치의 화합물을 형성할 수 있게 하는 혁신적인 시스템이다. 

남기태 교수 연구팀이 합성한 다이메틸카보네이트(이하 DMC)는 가솔린 및 디젤의 연료 첨가제로 사용될 수 있을 뿐 아니라 폴리머 제조 및 의약, 배터리 등 다양한 산업 분야에 활용될 수 있다. 이런 높은 활용 가치 때문에 DMC의 시장가는 기존 이산화탄소 전환으로 얻을 수 있는 개미산과 비교했을 때 약 3배 이상의 시장가치가 있다. 

반면 DMC를 생산하는 데 필요한 전기에너지는 개미산과 비슷한 수준인 3.5kWh/kg로 2030년 태양광 발전 단가가 94.2원/kWh임을 고려했을 때 연구팀이 개발한 시스템을 사용하면 약 330원의 전기에너지 비용으로 DMC 1kg을 생산할 수 있다. 적은 전기에너지 대비 높은 시장가를 가지는 생산물을 합성 가능한 새로운 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환기술 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것으로 기대된다. 

남 교수는 “이번 성과는 세계 최초로 전기에너지를 활용해 상온에서 이산화탄소로부터 카보네이트 화합물을 합성했다는 방법을 제시했다는 점이다. 이산화탄소 저감기술에 중요한 역할을 할 것으로 예상한다”며 “적은 전기에너지 비용으로도 고부가가치의 화합물 합성을 가능하게 하는 새로운 개념의 이산화탄소 전환시스템”이라고 말했다.