Research
‘Global boiling’으로 인한 기후 변화를 최소화하기 위해 Net-zero 탄소 배출을 달성해야 한다. 이러한 목표를 달성하기 위해서 석탄화력발전소, 철강산업 등으로부터 배출되는 고농도 CO2를 처리하는 것은 물론이고, 대기 중으로 직접 배출되는 약 400 ppm 수준의 저농도 CO2 역시 해결해야 한다. 우리가 여기서 반드시 간과하지 말아야 할 점은 현재, 그리고 가까운 미래에 대기 중으로 직접 배출되는 저농도 CO2 (present and future emission) 뿐 아니라, 산업혁명 이래로 인간활동에 의해 대기에 축적되어온 CO2 (past emission) 마저도 처리해야 한다는 점이다.
또 하나 우리 인류가 당면한 문제는 지속 가능한 사회를 기대함에 따라, 우리가 필요한 탄소 자원을 어디로부터 얻을 수 있는가에 대한 문제이다. 주위를 둘러보라. 우리가 누리고 있는 모든 물질에 탄소가 없는 것은 없다. 지금까지 우리가 화석연료를 사용한 까닭은 열에너지를 얻기 위함만 있는 것이 아니라, 탄소 자원을 얻기 위함 역시 있었다는 점을 잊어서는 안 될 것이다. 즉 우리가 원하는 지속 가능한 미래는 탈탄소 (Decarbonation)가 아닌 탈화석연료 (Defossilization)이다.
따라서, 기후 변화 대응을 위한 Net-zero 목표 달성과 함께 지속 가능한 탄소 기반 사회를 영위하기 위해서 공기 중 CO2를 처리함과 동시에, 공기 중으로부터 얻을 수 있는 CO2를 기반으로 한 탄소 자원의 활용이 반드시 필요하다 (Circular Carbon Economy).
이에, 공기 중 CO2를 직접 포집하는 기술인 DAC (Direct Air Capture)가 주목받고 있다. DAC를 실제 적용하기 위해서는 시스템 내 낮은 압력 강하, 빠른 CO2 포집 속도, 낮은 재생에너지, 대기 중 희박한 이산화탄소를 포집할 수 있는 충분한 흡착열, 허용할 수 있는 수준의 운영 비용과 이를 위한 공정 시스템 및 재료의 긴 수명이 요구된다.
한편, NOHMs (Nanoparticle Organic Hybrid Materials)는 표면 개질된 나노 입자(Nanocore)에 기능성 고분자(Canopy)가 이온 결합 또는 공유 결합된 코로나(Corona) 구조로, 무기 및 유기 재료의 특성을 동시에 가질 수 있고 재료 선택에 따라 다양한 물리화학적 특성의 조합이 가능하다. 또한 높은 이온 전도도, 매우 낮은 증기압, 높은 열안정성 및 산화안정성을 가진다. 특히, NOHMs의 Canopy에 CO2 화학 흡착이 가능한 amine 기반 고분자를 선택해 CO2 포집 재료로서 기능을 부여할 수 있으며(Enthalpic CO2 Capture), Canopy‒Canopy 분자간 상호 작용에 따른 구조적 특이성에 기인한 물질 전달 향상(Entropic CO2 Capture)를 기대할 수 있어, DAC 소재로 매우 적합한 Platform 기술이다.
포집된 CO2는 화석연료 대신 고부가 탄소 화합물 등으로 전환 및 활용이 가능하다. 가장 대표적인 방법은 전기화학적으로 CO2를 환원시켜 일산화탄소, 포름산, 탄화수소, 알코올 등을 얻는 것이다. 이때, 전해조를 구성하는 수성 전해질 내 낮은 이산화탄소 용해도가 CO2 전환율을 제한한다. 한편, NOHMs는 CO2 포집재료로서 전해질에 활용 시 전해질 내 이산화탄소 용해도를 높일 수 있고, 이온전도성을 가져 환원이 일어나는 전극으로의 CO2 이동을 도울 수 있다. 뿐만 아니라, CO2 포집 및 전환이 한 시스템 안에서 이루어질 수 있어 포집 재료 재생에너지가 필요 없다. 전기화학적 CO2 환원을 위한 시스템에서 적용될 수 있는 이러한 장점들은 NOHMs가 CO2 Reduction Reaction (CO2RR)을 위한 전기화학적 Reactive Platform으로 활용 가능함을 의미한다.
이 밖에도 NOHMs는 다양한 Nanocore와 Canopy를 구성할 수 있어 목적에 따른 다양한 응용이 가능하다. 예를 들어, 자성을 띠거나 전도성을 가지는 물질을 사용해 특정 시스템에서 필요로 하는 기능성을 부여할 수 있다. 특정 금속과 선택적으로 상호작용하는 고분자를 선택한다면 유용 금속 자원 회수에 사용될 수 있고, 가스 하이드레이트 생성 억제(Flow Assurance)를 위한 NOHMs로의 적용도 가능하다.
