CO2 포집 효율을 높이는 신소재

 

복원력이 뛰어난 다공성 구조를 가진 획기적인 소재는 네거티브 배출을 달성하기 위한 노력을 가속화할 수 있다.

 

 

크레딧: UC Berkeley의 Chaoyang Zhao

 

 

인간 활동으로 인해 발생하는 이산화탄소(CO2)를 포집하고 저장하는 것은 대기 중 온실 가스를 낮추고 기후 변화를 안정화하는 데 중요하다. 그러나 오늘날의 탄소 포집 기술은 발전소 배기 가스와 같은 농축된 탄소 공급원에는 잘 작동하지만 농도가 연도 가스보다 수백 배 낮은 주변 공기에서 CO2를 포집하는 데는 덜 효율적이다.

 

 

그러나 직접 공기 포집(DAC)은 산업 혁명 이전보다 약 50% 높은 426ppm에 도달한 CO2 수준의 상승을 되돌리기 위해 기대되고 있다. 기후 변화에 관한 정부간 패널(Intergovernmental Panel on Climate Change)에 따르면 기후 변화 없이는 지구 평균 기온 상승을 2°C(3.6°F)로 제한하는 것이 사실상 불가능하다.

 

 

캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스(University of California, Berkeley)의 과학자들은 DAC의 새로운 돌파구를 보고했다. 저명한 학술지 네이처(Nature)에 발표된 이 연구는 공유 유기 프레임워크(COF)로 알려진 다공성 물질에 대해 설명한다. 이는 물이나 기타 오염 물질에 의한 분해 없이 주변 공기의 CO2를 흡수할 수 있으며, 이는 기존 DAC 기술의 주요 한계 중 하나입니다.

 

 

"우리는 이물질의 분말을 가져다가 튜브에 넣고 버클리 공기(그냥 실외 공기)를 물질에 통과시켜 성능이 어떻게 되는지 확인했습니다"라고 UC 버클리의 화학 교수인 Omar Yaghi는 설명했다. "그리고 그것은 아름다웠습니다. 그것은 CO2를 완전히 청소했습니다. 모든 것. 성능 면에서 이와 같은 것이 없기 때문에 매우 기쁩니다. 이는 기후 문제를 해결하기 위한 우리의 노력에 새로운 지평을 열었습니다."

 

 

 

크레딧: Zihui Zhou, UC Berkeley

 

 

Yaghi에 따르면 이 새로운 물질은 이미 배포되었거나 시범 운영 중인 탄소 포집 시스템으로 쉽게 대체될 수 있다. 이 소재는 매우 효율적이어서 단 200g(0.4lb)만으로도 1년에 나무 한 그루와 같은 양의 CO2(20kg(44lb))를 격리할 수 있다.

 

 

"연도 가스 포집은 CO2를 공기 중으로 방출하지 않으려고 하기 때문에 기후 변화를 늦추는 방법입니다. 직접 공기 포집은 우리를 100년 또는 그 이상 전으로 되돌릴 수 있는 방법이다"라고 UC 버클리 대학원생이자 연구 제1저자인 Zihui Zhou는 말했다.

 

"현재 대기 중 CO2 농도는 420ppm 이상이지만, 연도 가스 포집을 완전히 개발하고 사용하기 전에 500 또는 550ppm으로 증가할 것입니다. 따라서 농도를 낮추고 400ppm 또는 300ppm으로 되돌리려면 직접 공기 포집을 사용해야 합니다."

 

 

전 세계 수십 개 관측소에서 CO2 농도를 모니터링하는 미국 국립해양대기청(NOAA)은 최근 2024년까지의 데이터로 '펌프핸들' 애니메이션을 업데이트했다. 산업혁명 이후 농도의 증가는 급속히 진행된 것처럼 보이지만, 800,000년 전으로 거슬러 올라가는 더 긴 지질학적 시간 척도에서 볼 때 그것은 수직선이 된다.

 

 

대기 중 CO2의 이러한 갑작스러운 변화는 지구의 최근 역사에서 전례가 없는 일이며, 일반적으로 대규모 화산 폭발이나 소행성 충돌과 같은 재앙적인 사건과 관련이 있다. 마지막으로 CO2 농도가 420ppm에 도달했을 때 해수면은 몇 미터 더 높았고 생태계는 오늘날 우리가 알고 있는 것과 크게 달랐다.

 

 

 

 

Yaghi 교수는 COF와 MOF(금속-유기 프레임워크)의 발명가이며, 둘 다 가스가 달라붙거나 흡착할 수 있는 넓은 표면적을 제공하는 규칙적인 간격의 내부 기공이 있는 단단한 결정 구조이다. 그의 연구실에서 개발한 일부 MOF는 건조한 조건에서도 공기 중의 물을 흡착할 수 있으며, 가열되면 물을 방출하여 마실 수 있다. 그는 대부분의 사람들이 DAC에 대해 들어본 적이 있기 훨씬 전인 1990년대부터 CO2를 포집하기 위한 MOF를 연구해 왔다.

 

 

2년 전, Yaghi의 팀은 CO2를 흡착하는 매우 유망한 소재인 MOF-808을 만들었다. 그러나 연구원들은 수백 번의 흡착 및 탈착 사이클 후에 MOF가 분해된다는 것을 발견했다. Zhou를 포함한 동료들과 협력하여 Yaghi는 일부 MOF가 DAC 응용 분야에서 성능이 저하되는 이유를 발견하고 COF-999라고 하는 더 강력한 재료를 설계하기 시작했다.

 

 

MOF-808과 마찬가지로 COF-999의 기공은 내부를 NH2기(두 개의 수소 원자에 결합된 질소 원자)인 아민으로 장식되어 더 많은 CO2 분자를 흡수할 수 있다. 그러나 MOF는 금속 원자로 결합되어 있는 반면, COF는 자연에서 가장 강력한 화학 결합 중 하나인 탄소-탄소 및 탄소-질소 이중 결합의 공유 결합으로 결합되어 있다.

 

 

"공기에서 CO2를 포집하는 것은 매우 어려운 문제입니다"라고 Yaghi는 설명한다. "에너지적으로 많은 것을 요구하며, 이산화탄소 용량이 높고, 선택성이 높고, 물에 안정적이고, 산화적으로 안정적이며, 재활용이 가능한 재료가 필요합니다. 재생 온도가 낮아야 하고 확장 가능해야 합니다. 이 COF는 화학적, 열적으로 안정적인 강력한 백본을 가지고 있습니다. 더 적은 에너지가 필요하며 용량 손실 없이 100사이클을 견딜 수 있음을 보여주었습니다. 다른 어떤 재료도 이와 같은 성능을 발휘하지 않는 것으로 나타났습니다. 기본적으로 직접 공기를 포집할 수 있는 최고의 소재입니다."

 

 

Yaghi는 인공 지능이 탄소 포집 또는 기타 목적을 위해 특히 결정 구조를 합성하는 데 필요한 화학적 조건을 식별함으로써 훨씬 더 나은 COF 및 MOF의 설계 속도를 높이는 데 도움이 될 수 있다고 낙관한다.

 

 (FT)