국내 연구진이 세계 최고 성능과 내구성을 확보한 이산화탄소 전환용 음이온교환막 소재 기술을 개발했다.

한국화학연구원은 이장용 박사팀과 한국과학기술연구원 원다혜·이웅 박사팀이 이산화탄소(CO₂)를 유용한 화학 원료인 일산화탄소(CO)로 전환키 위한 전기화학공정 핵심소재의 성능과 내구성을 크게 높이는데 성공했다고 24일 밝혔다.

연구팀이 개발한 '음이온교환막' 소재는 유사한 전기화학 장치인 수전해, 연료전지 등에도 폭넓게 응용될 수 있어 향후 전기화학적 이산화탄소 전환 공정의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

기후위기 시대에 이산화탄소를 유용한 자원인 일산화탄소로 전환키 위한 기술은 매우 중요하다.

이 중 전기화학적 전환공정은 에너지를 적게 소비하고 공정이 간단해 차세대 CCU(이산화탄소 포집 및 활용) 기술로 주목받고 있다.

음극의 이온을 양극으로 이동시키는 전해질인 음이온교환막 소재는 전기화학적 이산화탄소 전환공정의 핵심으로 난이도가 높은 분야다. 음이온교환막은 음극의 음이온을 양극으로 잘 이동시키는 성능과 고온에서 안정적으로 오래 버틸 수 있는 내구성을 모두 갖춰야 한다.

해외 수입에 전량 의존하는 현재의 연구용 음이온교환막도 열에 취약해 내구성이 떨어지고, 이온전도가 낮아 성능도 좋지 않다.

이번에 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.

일반적으로 고분자 소재는 분자량이 클수록 내구성이 좋다. 공동연구팀은 화학연이 보유한 특허 기술을 통해 음이온교환막의 소재를 튼튼하게 만들었다.

이 소재는 기존 소재가 열적 안정성이 낮아 상온에서만 구동하는 것과 달리 60℃의 구동 조건에서도 150시간 동안 안정적으로 작동할 수 있다.

또 연구팀은 고분자 소재에 유연한 나뭇가지 형태의 화학구조를 가진 '테트라메틸이미다졸륨기'를 도입, 음극에서 반응 결과물로 생성된 수산화음이온(OH-)이 양극으로 잘 이동할 수 있도록 했다. 이를 통해 소재의 핵심 성능인 이온전도도를 향상시켰다.

특히 같은 조건(1㎾스택/1일)에서 기존 소재로는 하루에 최대 약 1.6kg의 일산화탄소를 생산할 수 있었으나 이번에 개발된 소재로는 최대 약 3.6kg의 일산화탄소를 생산할 수 있어 2배 이상 향상된 일산화탄소 생산 성능이 검증됐다.

이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 'ACS Energy Letters(IF: 22.0)' 4월호에 발표됐다.(논문명:Membrane Engineering Reveals Descriptors of CO2 Electroreduction in an Electrolyzer)

화학연구원 이영국 원장은 "이번 기술이 선진국과 에너지 분야 핵심 전해질 소재 기술격차를 줄일 수 있을 뿐 아니라 향후 유관 기업과의 기술이전 및 상용화 추진으로 차세대 CCU 혁신 기술 개발의 지렛대가 되길 기대한다"고 말했다.