KIST(한국과학기술연구원) 청정에너지연구센터 오형석 박사 연구팀이 이산화탄소와 물을 전기화학적으로 전환하고 에틸렌을 제조할 수 있는  시스템 구현을 위해 물산화 촉매, 이산화탄소 전환 촉매, 전기화학전지 3가지 구성 요소 기술을 개발했다.

전기화학적 이산화탄소 전환시스템은 지구 온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 고부가가치 화학물질로 전환하는 기술이다. 환경오염없이 이산화탄소를 제거하고 유용한 화학물질을 얻을 수 있어 최근 관심이 높아지는 분야다. 이번 성과는 시스템 성능 향상과 대용량화, 신재생에너지와 결합 등 가능성을 보여주며 지속 가능한 친환경 공정으로 평가된다.

에틸렌은 석유계 기초 유분으로 플라스틱, 비닐, 합성 고무, 각종 건축자재 등 다양한 분야에 사용돼 산업의 쌀로 불린다. 하지만 기존의 에틸렌은 석유나 천연가스를 정제해 얻는다. 과정 중 고온 고압의 공정을 거치면서 많은 온실가스를 배출하게 된다. 다가오는 탄소중립 실행을 위해 기존 석유화학공정을 대체할 새로운 화학공정이 필요한 이유다.

전기화학적  CO₂ 전환과 대면적 에틸렌 제조시스템 구현을 위해 연구팀은 ▲대면적 전기화학전지 ▲구리 기반 나노입자 CO₂ 환원 전극 ▲대면적 니켈 기반 물산화 전극 등 세가지 요소 기술을 개발했다. 

연구팀은 100cm² 대면적화 전기화학전지를 개발, 타입별 실험을 통해 이산화탄소 전환 성능을 향상시켰다. 또 개발된 염기성 구리 촉매 전극은 상용화에 필수적인 스택 시스템에서 50%의 에틸렌 생산 전력효율을 보였다. 염기성 구리 촉매가 에틸렌 생성을 위해 효과적이라고 볼 수 있다는 게 연구팀의 설명이다. 

또 구리 나노입자, 은 나노입자의 이중 층 조성과 구조 최적화를 연구, 이중 층 탠덤 촉매를 개발해 38%의 에틸렌 선택도를 높였다. 탠덤 촉매는 은 촉매 층이 막과 닿아있는 경우 탠덤 촉매 성능이 최대화 되는 것도 확인했다. 물산화 전극을 위해 니켈 폼을 철이온, 황과 함께 열처리 후 간단하게 대면적 전극으로 제조하는 기술을 확보했다. 개발된 전극은 값이 싼 니켈 기반의 촉매임에도 귀금속 전극과 비슷한 성능을 보이면서 긴 내구성을 유지했다. 물산화 전극의 경제성을 높이는데 도움이 될 것으로 예상된다.

이산화탄소를 전기화학적으로 환원해 에틸렌을 생산하는 기술 개발을 위해 진행한 기초연구들은 이후 촉매 기술(구리, 비귀금속 촉매 제작기술 등), 반응기 기술(전기화학적 CO₂ 전환용 대면적, 막전극 잉크 레시피), 실시간 분석기술(실시간 전기화학 촉매 분석 플랫폼 개발, 촉매·열화 메커니즘 분석), 패키지 분석에 응용될 것으로 기대된다.

한국석유화학협회에 의하면 국내 에틸렌 생산능력은 세계 4위(982만톤). 생산의 55%를 수출한다. 현재 생산은 석유화학 산업에 의존한다. 하지만 한국 에틸렌 최대 수입국인 중국이 자체 설비를 확장하고 미국은 값싼 세일 가스 기반 에틸렌을 생산하고 있다. 에틸렌 생산에 변화가 필요한 시점이다.

연구팀은 "한국, 일본, 서유럽 등이 원유를 사용해 에틸렌을 생산한다"면서 "하지만 탈석유화학시대에 독자적인 원천기술 확보가 필요하다"고 강조했다.

탄소 중립에 맞춰 에틸렌 생산 이외에도 전기화학적 CO₂ 전환 연구도 활발하다. 정부 R&D 특허전략 지원사업- 'e-chemical 제조기술'에 의하면 2005년 교토의정서가 공식 발효된 이후 촉매와 디바이스 특허가 큰 폭으로 늘고 있다. 연구팀도 한국과 미국 등에 전기화학적 CO₂ 전환 에틸렌 생산 특허를 출원한 상태다. 지난해 Energy&Environmental Science, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental 등 국제 학술지 6편에 연구결과를 보고했다. 관련 국내 대기업과 함께 기술 개발도 논의 중이다.

한편 이번 연구는 차세대탄소자원화연구단(단장 전기원 화학연 박사)의 지원을 받았다. 현재 이산화탄소의 에틸렌 전환 관련 기술은 과학기술정보통신부의 후속 과제로 제안 중이다.