원사를 형성하기 위해 방사되는 탄소 나노튜브(제공: CSIRO)

미국 에너지부(DOE) 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)와 컬럼비아 대학교(Columbia University)의 과학자들은 강력한 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 탄소 나노섬유로 전환하는 방법을 개발했다.

직렬 전기화학 반응과 열화학 반응을 사용하는 새로운 방법은 상대적으로 낮은 온도와 주변 압력에서 실행된다.

탄소를 멀리 가두기

과학자들이 Nature Catalytic 저널에 설명했듯이, 이 접근 방식은 탄소를 유용한 고체 형태로 성공적으로 가두어 부정적인 탄소 배출을 상쇄하거나 심지어 달성할 수도 있다.

이번 연구를 이끈 Brookhaven Lab의 공동 연구원인 컬럼비아 대학의 화학공학과 첸 징광 (Jingguang Chen) 교수는 현재의 방법과 달리 "탄소나노섬유를 시멘트에 넣어 시멘트를 강화할 수 있다"고 말했다. “이렇게 하면 적어도 50년 동안, 잠재적으로 그보다 더 긴 기간 동안 콘크리트에 탄소를 가두게 될 것이다. 그때쯤이면 세계는 주로 탄소를 배출하지 않는 재생 가능 에너지원으로 전환되어야 한다.”

보너스로, 이 공정에서는 사용 시 배출 가스가 전혀 발생하지 않는 유망한 대체 연료인 수소 가스(H2)도 생성된다.

탠덤 2단계

"우리는 훨씬 더 실용적이고 산업적으로 달성 가능한 온도인 상대적으로 낮은 섭씨 400도에서 발생할 수 있는 공정을 발견했다."

비결은 반응을 여러 단계로 나누고 두 가지 유형의 촉매, 즉 분자가 더 쉽게 결합하고 반응할 수 있게 해주는 물질을 사용하는 것이었다.

과학자들은 일산화탄소(CO)가 탄소나노섬유(CNF)를 만드는 데 CO2보다 훨씬 더 나은 출발 물질이라는 사실을 깨닫고 시작했다. 그런 다음 그들은 CO2에서 CO를 생성하는 가장 효율적인 방법을 찾기 위해 역추적했다.

두 번째 단계에서 과학자들은 철-코발트 합금으로 만들어진 열 활성화 열촉매를 사용했다. 이는 섭씨 400도 정도의 온도에서 작동하는데, 이는 CO2를 CNF로 직접 변환하는 데 필요한 것보다 훨씬 온화하다. 그들은 또한 약간의 금속 코발트를 추가하면 탄소 나노섬유의 형성이 크게 향상된다는 사실도 발견했다.

진정한 탄소 네거티브

첸은 “전기촉매와 열촉매를 결합함으로써 두 공정만으로는 달성할 수 없는 일을 달성하기 위해 이 직렬 공정을 사용하고 있다.”고 말했다.

이러한 프로세스가 재생 가능 에너지에 의해 추진된다면 결과는 실제로 탄소 음성이 되어 CO2 완화를 위한 새로운 기회가 열릴 것이라고 연구원들은 말한다.

인용: Xie, Z., Huang, E., Garg, S. et al. 전기화학적-열화학적 직렬 촉매작용을 사용하여 탄소 나노섬유에 CO2를 고정합니다. 냇 카탈(2024). https://doi.org/10.1038/s41929-023-01085