▲ 쇠 구슬 표면에서 이산화탄소(위)가 메탄(아래)으로 변환되는 과정을 표현한 그림(그림=UNIST)  © 특허뉴스

이산화탄소를 천연가스의 주성분인 메탄으로 바꾸는 고온 고비용의 기존 공정 상식을 뒤엎는 혁신적인 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. UNIST(울산과학기술원) 연구팀이 단지 쇠구슬을 굴리는 간단한 기계화학 공정으로 상온에 가까운 저온에서 이산화탄소를 고효율로 메탄화하는 데 성공하며, 탄소중립 시대의 새로운 지평을 열었다. 이 획기적인 연구 결과는 나노 분야 최고 권위 학술지인 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 지난 5일 게재되었다.

65℃ '볼 밀링'으로 CO₂ 99.2%를 메탄으로

UNIST 에너지화학공학과 백종범 교수와 탄소중립대학원 임한권 교수팀은 65℃의 낮은 온도에서 이산화탄소(CO₂)를 고효율로 메탄(CH₄)으로 전환할 수 있는 '볼 밀링(Ball Milling)' 기반 기계화학 공정 기술을 개발했다. 이는 일반적으로 300~500℃의 고온이 필요한 기존 열화학 공정과는 차원이 다른 혁신이다.

연구팀이 개발한 기술은 간단하다. 직경 수 밀리미터의 작은 쇠구슬이 들어 있는 볼밀 장치에 촉매와 이산화탄소, 수소 원료를 넣고 돌리는 방식이다. 쇠구슬의 반복적인 충돌과 마찰이 촉매 표면을 활성화시키고, 이로 인해 이산화탄소가 촉매 표면에 효율적으로 포집되어 수소와 반응해 메탄으로 전환된다.

실험 결과, 연구팀은 65℃라는 낮은 온도에서 놀랍게도 이산화탄소의 99.2%를 반응시키는 데 성공했다. 더 나아가, 이렇게 반응한 이산화탄소 중 98.8%가 부산물 없이 메탄으로 전환되는 높은 선택도를 보였다. 이는 상업적 적용 가능성을 강력하게 시사하는 결과이다.

연속 공정 및 경제성까지 확보… 상용화에 청신호

이번 기술은 연속 공정에서도 뛰어난 효율을 유지했다. 상온보다 낮은 15℃에서도 CO₂ 반응 참여율 81.4%, 메탄 선택도 98.8%를 유지하며 대량 생산에 적합한 연속 공정의 상용화 가능성을 입증했다.

공정에 사용된 촉매는 저렴한 상용 니켈과 산화지르코늄(ZrO₂)이다. 니켈은 수소를 분해하고, 산화지르코늄은 볼밀 내 쇠구슬의 충격과 마찰로 산소를 잃어 활성 자리를 만들고 이산화탄소를 포집한다. 이렇게 활성화된 이산화탄소가 니켈이 분해한 수소와 반응하여 메탄이 생성되는 원리이다.

경제성 분석 결과도 긍정적이다. 낮은 반응 온도와 별도의 전처리 없이 상용 촉매를 사용할 수 있어 공정 장비 및 운영 비용을 크게 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 임한권 교수는 "전체 비용의 대부분을 차지하는 전력 소비를 풍력이나 태양광 같은 재생에너지와 연계하면 기존 열화학 반응 대비 절반 수준으로 낮출 수 있다"고 설명했다.

백종범 교수는 "기존의 고온 고압 장비 없이도 현장에서 이산화탄소를 바로 연료로 바꿀 수 있어, 탄소 배출 저감은 물론 장비 투자와 운송 비용까지 줄일 수 있다"며, "탄소중립 달성을 위한 새로운 핵심 기술이 될 것"이라고 강조했다.

이번 연구는 중국 과학기술대학(USTC)의 췬시앙 리(Qunxiang Li) 교수와 공동으로 진행되었으며, 논문명은 Mechanochemical carbon dioxide capture and conversion이다.