공기나 발전소 배기가스에서 이산화탄소를 추출하여 유용한 것으로 만드는 방법을 찾기 위한 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 가장 유망한 아이디어 중 하나는 이를 일부 응용 분야에서 화석 연료를 대체할 수 있는 안정적인 연료로 만드는 것이다. 그러나 이러한 전환 공정의 대부분은 탄소 효율이 낮거나 취급하기 어렵고 독성이 있거나 가연성이 있는 연료를 생산하는 데 문제가 있었다.

이제 MIT와 하버드 대학의 연구원들은 이산화탄소를 연료 전지에 전력을 공급하고 전기를 생성하기 위해 수소나 메탄올처럼 사용할 수 있는 액체 또는 고체 물질인 포름산염으로 변환할 수 있는 효율적인 공정을 개발했다. 이미 산업 규모로 생산되어 도로 및 보도용 제빙제로 일반적으로 사용되는 칼륨 또는 포름산 나트륨, 무독성, 불연성이며, 보관 및 운반이 용이하며, 생산 후 일반 강철 탱크에서 안정한 상태를 유지하여 수개월 또는 수년 동안 사용할 수 있다.

개략도는 포메이트 공정을 보여준다. 왼쪽 상단은 지하 탱크에 포름산염 연료가 저장된 직접 포름산염 연료 전지로 구동되는 가구를 보여준다. 가운데에는 포름산염을 활용하여 전기를 공급하는 연료전지가 표시되어 있다. 오른쪽 하단에는 중탄산염을 포름산염으로 변환하는 전해조가 있다. (이미지 : Shuhan Miao, 하버드 디자인 대학원)

MIT 박사 과정 학생 젠 장(Zhen Zhang), 지추 렌(Zhichu Ren) 및 알렉산더 H 퀸(Alexander H. Quinn)이 개발한 새로운 프로세스. 하버드 대학교 박사과정 학생 다웨이 시; 주 리(Dawei Xi; Ju Li) MIT 교수는 이번 주 Cell Reports Physical Science의 공개 논문에 설명되어 있다.

가스를 포집하고 고체 포름산염 분말로 전기화학적 변환한 후 연료 전지에서 전기를 생산하는 데 사용되는 전체 과정이 소규모 실험실 규모에서 시연되었다. 그러나 연구원들은 이 시스템이 개별 가정에 방출 없는 열과 전력을 제공하고 심지어 산업 또는 그리드 규모의 응용 분야에서도 사용될 수 있도록 확장성이 있을 것으로 기대한다.

이산화탄소를 연료로 전환하는 다른 접근법은 일반적으로 2단계 과정을 포함한다고 Li는 설명한다. 먼저 가스를 화학적으로 포집하여 탄산칼슘과 같은 고체 형태로 전환한 다음 나중에 해당 물질을 가열하여 이산화탄소를 제거하고 전환한다. 일산화탄소와 같은 연료 공급원료로 사용된다. 두 번째 단계는 효율성이 매우 낮으며 일반적으로 기체 이산화탄소의 20% 미만을 원하는 제품으로 변환한다고 Li는 말한다.

대조적으로, 새로운 공정은 90%가 훨씬 넘는 전환율을 달성하고 먼저 이산화탄소를 중간 형태인 액체 금속 중탄산염으로 전환함으로써 비효율적인 가열 단계의 필요성을 제거한다. 그런 다음 해당 액체는 저탄소 전기를 사용하는 전해조에서 전기화학적으로 액체 칼륨 또는 포름산나트륨으로 변환된다. 원자력, 풍력, 태양광. 생성된 고농축 액체 포타슘 또는 포름산나트륨 용액은 예를 들어 태양열 증발을 통해 건조되어 매우 안정적인 고체 분말을 생성할 수 있으며 최대 수년 또는 심지어 수십 년 동안 일반 강철 탱크에 저장할 수 있다고 Li는 말한다.

팀이 개발한 여러 단계의 최적화는 비효율적인 화학 변환 과정을 실용적인 솔루션으로 바꾸는 데 큰 변화를 가져왔다고 원자력 과학 및 공학과와 재료 과학 및 공학과에서 공동 임명을 맡고 있는 Li는 말한다.

탄소 포집 및 전환 과정에는 먼저 이산화탄소를 농축하는 알칼리 용액 기반 포집이 포함된다. 발전소 배출물과 같은 농축된 흐름이나 매우 낮은 농도의 소스, 심지어 야외에서도 액체 금속-중탄산염 용액 형태로 생성된다. 그런 다음 양이온 교환 막 전해조를 사용하여 이 중탄산염은 팀의 실험실 규모 실험에서 확인된 바와 같이 탄소 효율이 96% 이상인 고체 포름산염 결정으로 전기화학적으로 변환된다.

중탄산염 음극, 중간 완충층, 양이온 교환막 및 물 양극을 갖춘 전해조 구성이다. (이미지 : Shuhan Miao, 하버드 디자인 대학원)

이 결정은 저장 수명이 무한하며 매우 안정적이어서 손실이 거의 또는 전혀 없이 수년 또는 수십 년 동안 보관할 수 있다. 이에 비해, 가장 실용적인 수소 저장 탱크라도 하루에 약 1%의 비율로 가스가 누출될 수 있어 1년 동안 저장해야 하는 용도는 불가능하다고 Li는 말한다. 이산화탄소를 연료 전지에서 사용할 수 있는 연료로 전환하기 위해 널리 연구된 또 다른 대안인 메탄올은 누출이 건강에 위험을 초래할 수 있는 상황에서 사용하도록 쉽게 조정할 수 없는 독성 물질이다. 반면에 포름산염은 국가 안전 표준에 따라 널리 사용되고 양성으로 간주된다.

몇 가지 개선 사항으로 인해 이 프로세스의 효율성이 크게 향상되었다. 첫째, 멤브레인 재료와 그 구성을 신중하게 설계하면 특정 화학적 부산물의 축적으로 인해 pH가 변화되어 시스템이 시간이 지남에 따라 지속적으로 효율성을 잃게 되는 이러한 시스템에 대한 이전 시도에서 직면했던 문제를 극복할 수 있다. "전통적으로 공급원료의 장기적이고 안정적이며 지속적인 전환을 달성하는 것은 어렵다"라고 Zhang은 말한다. "우리 시스템의 핵심은 정상 상태 전환을 위한 pH 균형을 달성하는 것이다."

이를 달성하기 위해 연구진은 열역학적 모델링을 수행하여 화학적으로 균형을 이루고 시간이 지나도 산도가 변하지 않고 pH가 안정된 상태를 유지하도록 새로운 공정을 설계했다. 따라서 장기간에 걸쳐 효율적으로 계속 작동할 수 있다. 테스트에서 시스템은 출력의 큰 감소 없이 200시간 이상 실행되었다. 전체 공정은 주변 온도와 상대적으로 낮은 압력(대기압의 약 5배)에서 수행될 수 있다.

또 다른 문제는 원치 않는 부반응으로 인해 유용하지 않은 다른 화학 제품이 생성된다는 것이었지만, 팀은 이러한 반응을 차단하는 중탄산염 강화 유리섬유 울의 추가 "완충" 층을 도입하여 이러한 부반응을 방지하는 방법을 찾아냈다.

또한 팀은 이 포름산염 연료를 사용하여 전기를 생산하도록 특별히 최적화된 연료 전지를 제작했다. 저장된 포름산염 입자는 단순히 물에 용해되어 필요에 따라 연료 전지로 펌핑된다. 고체 연료는 순수 수소보다 훨씬 무겁지만, 수소를 저장하는 데 필요한 고압 가스 탱크의 무게와 부피를 고려할 때 최종 결과는 주어진 저장 부피에 대해 동등한 수준의 전기 출력이 된다고 Li는 말한다.

연구원들은 포름산염 연료가 잠재적으로 가정용 단위부터 대규모 산업 용도 또는 그리드 규모 저장 시스템에 이르기까지 모든 용도에 적용될 수 있다고 말한다. 초기 가정용 응용 분야에는 이산화탄소를 포집하여 지하나 옥상 탱크에 저장할 수 있는 포름산염으로 변환하는 냉장고 크기의 전해조 장치가 포함될 수 있다. 그런 다음 필요할 때 분말 고체를 물과 혼합하여 연료 전지에 공급하여 전력과 열을 공급한다. Zhang은 "이것은 지역 사회나 가정의 시연을 위한 것이지만 미래에는 공장이나 전력망에도 좋을 것이라고 믿는다."라고 말했다.

"포름산염 경제는 매우 흥미로운 개념이다. 왜냐하면 금속 포름산염은 매우 온화하고 안정적이며 강력한 에너지 운반체이기 때문이다."라고 노스웨스턴 대학의 화학 및 전기 및 컴퓨터 공학과 교수인 테드 사전트(Ted Sargent)는 말했다. 그는 이 연구와 관련이 없다. “저자들은 중탄산염 공급원료에서 포름산염으로의 액체-액체 전환에서 효율성이 향상되었음을 입증했으며 이러한 연료가 나중에 전기를 생산하는 데 사용될 수 있음을 입증했다.”라고 그는 말한다.

이 연구는 미국 에너지부 과학부(Office of Science)의 지원을 받았다.