온실가스 저감 위한 획기적 흡착제 개발 가능성 열어

[산업일보]
미래창조과학부는 발전소에서 배출되는 가스로부터 온실가스인 이산화탄소를 획기적으로 포집할 수 있는 금속-유기 복합체(MOF) 기반 새로운 흡착제가 국내연구진에 의해 개발됐다고 발표했다.

고려대학교 화학과 홍창섭 교수팀은 미래창조과학부에서 추진하는 ‘Korea CCS 2020 사업’의 지원을 통해 이산화탄소 포집에 유리하면서도 발전소 배가스에 포함된 수증기와 산성가스에도 강한 ‘니켈기반 금속-유기 복합체’를 개발했다.

이 연구결과는 세계적 국제학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie) 온라인 논문에 게재됐다.

금속-유기 복합체는 유기리간드에 의해 연결된 금속 기반 노드로 구성돼 매우 큰 비표면적, 미세조정이 가능한 기공의 발달, 대량합성 가능성 때문에 다양한 가스 분리에 높은 응용성을 갖고 있다.

그러나 발전소 배가스가 5~7%의 물과 산성가스로 포화돼 있으므로 이런 환경에서도 사용할 수 있는 소재 개발이 요구돼 왔다. 배가스에 포함된 물을 제거하기 위해 이산화탄소 포집 전에 건조시키는 것은 많은 비용이 들기 때문에 대규모 포집에 적용할 수 없다. 따라서 배가스로부터 이산화탄소 포집에 이용되는 흡착제는 수증기에 안정해야 할 뿐 아니라 산성가스 조건에서도 구조가 유지돼야 한다.

금속-유기 복합체는 기공과 높은 비표면적을 가지고 있으므로 가스흡착 및 분리, 촉매, 약물전달, 자성, 수소이온 전도도 등 다양한 응용성을 지니고 있다. 이 물질의 장점은 모듈식 합성과 유기 연결자의 변형이나 열린 금속자리에 기능성을 도입해 기공 특성을 조절할 수 있다는 점이다.

하지만, 금속-유기 복합체의 경우 물이 존재하면 금속-리간드 배위결합이 가수분해 돼 구조 틀이 쉽게 붕괴되는 경향이 있어 많은 과학자들이 금속-유기 복합체의 화학적 구조 안정성을 높이기 위한 연구를 꾸준히 해왔다.

연구팀은 니켈기반 금속-유기 복합체를 합성해 pH 1.8의 강산이나 끓는 물 조건에서 이산화탄소를 흡착하면서도 장시간 구조적 안정성을 유지하는 우수한 결과를 확인했다. 또 기존의 제조 시간이 긴 용매(수)열 반응법에서 탈피해 마이크로웨이브를 조사하는 새로운 대량생산 방법을 제시함으로써 향후 건식 이산화탄소 흡착제로서의 활용 가능성을 제시했다.

‘건식 이산화탄소 포집법’은 소재가 저렴하고 설비구축 비용이 적게 들어 적은 비용으로 온실가스 감축이 가능하며, 부식성이 없는 친환경 재료를 사용하므로 폐수가 발생하지 않는다는 장점 때문에 액체 흡수제를 이용하는 ‘습식’ 방법과 필름형태의 막을 통해 특정 기체만을 분리하는 ‘분리막’ 방법과 함께 주요 3대 이산화탄소 포집방법으로 불린다.

아울러 니켈기반 금속-유기 복합체는 수소이온 전도도도 높아 현재 연료전지의 양성자 교환막으로 이용되고 있는 대표적인 고분자 전해질막인 Nafion에 비견할 만한 전도도 값(2.2 x 10-2 S/cm)을 구현함으로써 향후 수소 연료전지의 양성자 교환막에 적용 가능성도 보였다. 그 외 금속-유기 복합체의 특성상 약물 전달체, 가스 분리 및 저장, 센서 등 다양한 분야에 널리 활용될 것으로 기대된다.

미래창조과학부 이근재 연구개발정책관은 “미래창조과학부는 이산화탄소 포집 비용을 탄소배출권 거래가격 이하로 낮출 수 있는 소재‧공정기술(CCS기술) 개발에 지속적으로 투자할 것”이라고 밝히며 “이 연구성과가 온실가스 포집 뿐 아니라 다양한 분야에도 응용되어 신산업 창출에 기여하길 기대한다”고 말했다.