지구 온난화를 늦추려면 온실가스 배출을 대폭 줄여야 한다. 무엇보다도 우리는 화석 연료를 사용하지 않고 보다 에너지 효율적인 기술을 사용해야 한다. 그러나 배출량을 줄이는 것만으로는 기후 목표를 달성하기에 충분하지 않다. 우리는 또한 대기에서 대량의 온실가스인 CO2를 포집하여 영구적으로 지하에 저장하거나 산업계에서 탄소 중립 원료로 사용해야 한다.

불행하게도 오늘날 이용 가능한 탄소 포집 기술은 많은 에너지를 필요로 하며 이에 따라 비용도 많이 든다.

이것이 바로 ETH 취리히의 연구원들이 빛을 사용하는 새로운 방법을 개발하고 있는 이유이다. 이 과정을 통해 미래에는 탄소 포집에 필요한 에너지가 태양에서 나오게 된다.

전기화학 에너지 시스템 교수인 마리아 루카츠카야(Maria Lukatskaya)가 이끄는 과학자들은 산성 수성 액체에서는 CO2가 CO2로 존재하지만 알칼리성 수성 액체에서는 반응하여 탄산염으로 알려진 탄산염을 형성한다는 사실을 이용하고 있다. 이 화학 반응은 가역적이다. 액체의 산도에 따라 액체에 CO2가 포함되어 있는지 탄산염이 포함되어 있는지가 결정된다.

액체의 산도에 영향을 주기 위해 연구진은 빛에 반응하는 광산이라는 분자를 액체에 추가했다. 그런 액체에 빛이 조사되면 분자는 이를 산성으로 만든다. 어둠 속에서는 원래 상태로 돌아가 액체를 더욱 알칼리성으로 만든다.

연구원의 방법이 자세히 작동하는 방식은 다음과 같다. 연구원은 어둠 속에서 광산이 포함된 액체를 통해 공기를 통과시켜 공기에서 CO2를 분리한다. 이 액체는 알칼리성이므로 CO2가 반응하여 탄산염을 형성한다. 액체 속의 염분이 상당한 수준으로 축적되자마자 연구자들은 액체에 빛을 조사한다. 이로 인해 산성이 되고 탄산염은 CO2로 변환된다. CO2는 콜라병에서처럼 액체에서 거품이 나며 가스 탱크에 수집될 수 있다. 액체에 CO2가 거의 남지 않으면 연구자들은 불을 끄고 액체가 CO2를 포집할 준비가 된 상태에서 사이클이 다시 시작된다.

그러나 실제로는 문제가 있었다. 사용된 광산은 물에 불안정했다. “우리의 초기 실험 과정에서 우리는 분자가 하루 후에 분해된다는 것을 깨달았다.”라고 루카츠카야 그룹의 박사 과정 학생이자 연구의 주요 저자인 안나 드 브리스(Anna de Vries)는 말한다.

그래서 루카츠카야, 드 브리스 및 그들의 동료들은 분자의 붕괴를 분석했다. 그들은 물이 아닌 물과 유기 용매의 혼합물에서 반응을 진행하여 문제를 해결했다. 과학자들은 실험실 실험을 통해 두 액체의 최적 비율을 결정할 수 있었고 파리 소르본 대학 연구원들이 수행한 모델 계산 덕분에 그들의 발견을 설명할 수 있었다.

우선, 이 혼합물을 통해 그들은 거의 한 달 동안 용액에서 광산 분자를 안정적으로 유지할 수 있었다. 또 다른 한편으로는 산성과 알칼리성 사이에서 필요에 따라 용액을 앞뒤로 전환하는 데 빛을 사용할 수 있다는 점을 보장했다. 만약 연구자들이 물 없이 유기용매를 사용한다면 그 반응은 되돌릴 수 없을 것이다.

다른 탄소 포집 과정도 주기적이다. 한 가지 확립된 방법은 주변 온도에서 CO2 분자를 수집하는 필터와 함께 작동한다. 이후 필터에서 CO2를 제거하려면 필터를 섭씨 100도 정도까지 가열해야 한다. 그러나 가열 및 냉각은 에너지 집약적이다. 이는 필터 방식에 필요한 에너지의 주요 부분을 차지한다.

"반면에 우리 공정에는 가열이나 냉각이 필요하지 않기 때문에 훨씬 적은 에너지가 필요하다"라고 루카츠카야는 말한다. 게다가, 연구진의 새로운 방법은 잠재적으로 햇빛만으로도 작동할 수 있다.

“우리 시스템의 또 다른 흥미로운 측면은 몇 초 안에 알칼리성에서 산성으로 전환하고 몇 분 안에 다시 알칼리성으로 돌아갈 수 있다는 것이다. 이를 통해 온도 기반 시스템보다 훨씬 더 빠르게 탄소 포집과 방출 사이를 전환할 수 있다.”라고 드 브리스는 설명한다.

이번 연구를 통해 연구원들은 광산이 실험실에서 CO2를 포집하는 데 사용될 수 있음을 보여주었다. 시장 성숙을 향한 다음 단계는 광산 분자의 안정성을 더욱 높이는 것이다. 또한 이를 더욱 최적화하기 위해 전체 프로세스의 매개변수를 조사해야 한다.

이 연구는 재료화학(Chemistry of Materials)에 게재된다.

출처: ETH 취리히