포집 탄소 94% 활용·98% 고순도 포름산 생산…생산비와 온실가스 영향 동시 절감

국내 연구진이 산업계에서 배출되는 이산화탄소를 복잡한 공정 없이 주석-구리 촉매를 활용해 화학원료로 직접 전환하는 공정을 개발해 주목받고 있다.

공장과 발전소에서 배출되는 이산화탄소는 대표적인 온실가스로 꼽힌다. 이를 산업에 필요한 화학원료로 다시 활용할 수 있다면 탄소 배출을 줄이는 동시에 새로운 부가가치를 창출할 수 있다. 이러한 이산화탄소 전환의 대표적인 표적 물질인 포름산은 가죽·의약품 등에 널리 활용되는 기초 화학물질이지만, 현재는 대부분 화석연료 기반 공정으로 생산되고 있다.

기존 탄소 전환·활용(CCU, Carbon Capture and Utilization) 기술은 포집된 이산화탄소를 다시 기체로 분리·정제·압축해야 해 많은 에너지와 비용이 들었다. 최근 포집액을 직접 활용하는 기술도 개발되고 있지만 대부분 일산화탄소 등 기체 제품 생산에 집중돼 있어 액체 화학제품을 고순도로 생산하는 데는 한계가 있었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 청정에너지연구센터 원다혜 박사·이웅 박사 연구팀은 국민대학교 이찬우 교수 연구팀과 함께 포집한 이산화탄소를 별도의 분리·정제·압축 과정 없이 전기화학적으로 직접 전환해 고순도 포름산을 생산하는 통합 공정을 개발했다.

연구팀은 트리에틸아민 포집액을 전기화학 반응기에 직접 공급하고 주석-구리 촉매를 적용해 포집된 이산화탄소의 94%를 포름산염으로 전환했다. 또한 100시간 이상 안정적으로 반응을 유지하며 포름산염 농도를 2.62몰까지 높였고, 실시간 분석으로 전환 메커니즘도 규명했다.

연구팀은 포름산염과 포집제를 분리하는 공정을 새로 개발해 최대 98%의 고순도 포름산을 생산하는 데 성공했다. 포집제는 회수해 다시 사용할 수 있으며, 경제성 분석 결과 포름산 생산비는 1톤당 약 410달러로 기존 시장가격보다 절반 가까이 낮았다. 또한 온실가스 영향도 기존 공정보다 31.1% 감소하는 것으로 나타났다.

이번 기술은 발전소와 제철소, 시멘트·석유화학 공장 등 이산화탄소를 많이 배출하는 산업 현장에 적용할 수 있다. 포집한 이산화탄소를 곧바로 화학원료로 전환할 수 있어 공정을 단순화할 수 있으며, 재생에너지와 연계하면 기존 화석연료 기반 포름산 생산공정을 저탄소 전기화학 공정으로 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

KIST 원다혜 박사는 "이번 연구는 포집한 이산화탄소를 다시 기체로 분리하지 않고 전기화학적으로 전환해 산업적으로 활용 가능한 고순도 액체 화학제품을 생산했다는 데 의미가 있다"며 "기체 제품 중심이던 이산화탄소 동시 포집·전환 기술을 액체 화학제품으로까지 확장하는 계기가 될 것으로 기대한다"고 밝혔다. KIST 이웅 박사는 "향후 실제 산업 배출가스를 활용한 공정 검증과 반응기 규모 확대, 장기간 연속운전 실증을 통해 산업 적용 가능성을 높여 나가겠다"고 말했다.

이번 성과는 촉매 소재 개발부터 공정설계, 고순도 제품 정제까지 KIST의 원천 기술이 결집된 결과이며, 산업 현장에서 배출되는 이산화탄소를 고부가가치 화학원료로 전환하는 새로운 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 특히 포름산은 수소를 저장·운반하는 물질로도 활용될 수 있어 향후 활용 범위가 더욱 넓어질 전망이다. KIST는 앞으로도 국민이 체감할 수 있는 탄소중립 기술 개발을 통해 지속가능한 미래 사회 구현에 기여해 나갈 계획이다.