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해수 배터리, 적은 용량‧부식 단점 등 해결 실마리


화학연 연구팀, 관련 연구 결과 내놓아

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 바닷물 속 이산화탄소를 전기분해를 통해 해수 배터리의 문제점인 이산화탄소-나트륨 침전물을 줄이는 동시에 에탄올·프로판올 등 유용한 연료로 전환할 수 있는 최고 성능의 촉매를 개발했다.

한국화학연구원(원장 이영국) 김현탁 박사, 울산과학기술원(UNIST) 권태혁, 강석주, 이근식 교수 공동 연구팀은 최근 논문에서 새로 개발한 저렴한 비금속 촉매를 사용해 이산화탄소를 다탄소 알코올로 합성하는 전기화학 방식의 전환 기술을 발표했다.

해수 배터리는 전해질로 사용하는 바닷물의 나트륨 이온이 리튬 배터리의 리튬이온처럼 양극·음극을 오가며 충전과 방전이 이뤄지는 이차전지다.

국내 연구팀이 해수배터리 단점을 보완할 수 있는 기술을 개발했다. [사진=화학연]
국내 연구팀이 해수배터리 단점을 보완할 수 있는 기술을 개발했다. [사진=화학연]

바닷물을 전해질로 사용해 자원이 풍부하고 친환경적이며 화재·폭발 위험이 낮다는 장점이 있다. 다른 배터리에 비해 에너지 저장 용량이 적고 염분으로 인한 부식, 바닷물 속 이산화탄소가 나트륨과 결합한 석회 침전물이 전극에 붙어 충·방전 효율이 떨어지는 단점도 있다.

공동 연구팀이 개발한 전기화학 방식의 이산화탄소 분해를 통해 침전물을 줄이고 유용한 연료로 전환하는 기능을 추가할 경우, 해수 배터리의 단점을 보완해 활용 가능성이 높아질 것으로 예상된다.

관련 보고서(Wise Guy Reports)를 보면 전 세계 해수배터리 시장은 2023년 1600만 달러에서 2032년에는 20억 달러로 연평균 성장률이 32.8%에 이를 것으로 보고 있다.

바닷물은 이산화탄소를 저절로 흡수하는 성질이 있다. 이 과정에서 발생한 수소 이온이 해양 산성화를 일으켜 플랑크톤부터 물고기까지 영향을 줘 생태적·경제적 피해를 본다.

이 때문에 연구자들은 이산화탄소를 다른 물질로 전환하는데 집중하고 있다. 그동안 이산화탄소의 전기화학적 전환 방식에서는 기초화학원료인 일산화탄소(CO) 또는 식품·의약품 등에 사용되는 포름산(HCOOH) 등 탄소 1개 화합물로 전환하는 연구가 활발했다.

2개 이상의 탄소가 결합된 다탄소 알코올인 에탄올(C2H5OH), 프로판올(C3H7OH) 등 유용한 연료 화합물로 전환하는 연구는 이중 탄소 결합에 대한 높은 에너지 장벽으로 인해 성공적인 결과를 얻기 어려웠다.

연구 결과 중 반응성이 뛰어난 금속 촉매인 구리를 이용해 전환하는 기술은 있는데 경제성과 안정성이 부족하다. 값싼 비금속 촉매를 사용해 유용한 연료로 전환하는 기술이 필요한 상황이다.

공동 연구팀은 값싼 카본계 소재에 이종원소(붕소, 질소)를 동시에 도핑(첨가)한 비금속 촉매를 만들어 경제성 문제를 해결하고 높은 선택도의 다탄소(C2+) 알코올 변환 성과를 얻었다.

이는 비금속계 촉매로는 세계 최초로 전기화학 기반의 고선택성 CO2 전환 C2+ 알코올 제조 기술을 개발한 것이다. 이를 바탕으로 해수 배터리의 전극에 새로 개발한 촉매를 적용한 신개념 CO2 전환 시스템의 효과도 검증했다.

연구팀은 앞으로 후속 연구를 통해 2024년 유닛셀 제작과 운전을 시작으로 2030년 스택셀 안정화를 통한 실증 가능성을 검토할 계획이다.

이영국 화학연 원장은 “국제적 메이저 기업에 독점된 관련 기술시장에 온실가스 유래 바이오 원료 제조 기술을 통한 패러다임 전환으로 신규 시장의 선점에 이바지할 것으로 생각한다”고 말했다.

이번 논문(논문명: Selective Electroreduction of CO2 to C2+ Alcohols Using Graphitic Frustrated Lewis Pair Catalyst)은 화학 공정 과학기술 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 캐탈리시스(ACS Catalysis)’ 6월 보충 표지논문으로 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)






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