세계최초 이산화탄소 → 탄소중립연료 전환기술 개발

서울대 재료공학부 남기태 교수 연구팀이 세계 최초로 이산화탄소로부터 신개념 탄소중립연료(e-fuel: electricity-based fuel)인 연료용 카보네이트 합성에 성공했다.

서울대학교 석사 및 박사 과정의 이규민, 장준호 연구원과 남기태 교수로 구성된 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 있어 주목을 끌고 있다. 이 시스템은 적은 전기에너지 비용만으로도 고부가가치의 생성물을 만들 수 있는 고효율 시스템으로 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.

이 시스템은 기존에 이산화탄소를 환원시키는 방법과는 전혀 다른 새로운 방법론으로 현재까지 불가능하다고 생각됐던 이산화탄소로부터 카보네이트 화합물의 합성을 가능하게 했다. 이는 현재까지 환원된 형태의 생성물로 한정돼 있었던 이산화탄소로부터 생성 가능한 ‘e-fuel’ 생산물의 범위를 확장했다는 점에서 큰 의미가 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.

‘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.

남기태 서울대학교 재료공학부 교수는 “이번 성과는 세계 최초로 전기에너지를 활용해 상온에서 이산화탄소로부터 카보네이트 화합물을 합성했다는 방법을 제시했다는 점에서 혁신적이며 이산화탄소 저감기술에 중요한 역할을 할 것으로 예상한다”며 “적은 전기에너지 비용으로도 고부가가치의 화합물 합성을 가능하게 하는 새로운 개념의 이산화탄소 전환시스템을 개발함으로써 추후 이산화탄소 전기화학적 이산화탄소 전환기술에 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 미래소재 디스커버리 사업, 중견연구자 지원사업, 나노 미래소재원천기술개발사업, 자연묘사혁신기술개발 사업의 지원을 받았다. 연구내용은 세계적인 국제학술지인 네이처 에너지(Nature Energy)에 7월 9일 온라인 출판으로 개재됐다. 네이처 에너지는 에너지 분야 세계 최고 권위의 학술지로 Impact factor(영향력지수)는 2020년 기준 60.85이다.