기후위기 주범 탄소로 나노섬유 만든다···탄소 활용+저장 일석이조

기후위기의 주범 이산화탄소(CO₂)를 탄소나노섬유로 전환하는 기술이 개발됐다. 이산화탄소를 실제 산업에서 다양한 용도로 쓰이는 탄소나노섬유 형태로 오랜 기간 저장함으로써 탄소 중립을 앞당길 수 있으리란 기대다. 미국 에너지부(DoE) 브루크헤이븐연구소와 컬럼비아대학 공동 연구진의 이 성과는 학술지 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)'에 최근 실렸다. 이산화탄소를 포집해 땅 속에 저장하거나 산업적으로 유용한 다른 소재의 원료로 사용하는 탄소포집·활용·저장(CCUS)은 기후변화를 일으키는 탄소 배출을 막을 주요 기술로 주목받는다. 하지만 탄소 저장엔 유출 위험이 따른다. 탄소를 다른 분야에 활용할 수 있는 소재로 만들려면 많은 추가 에너지가 투입되어야 한다. 탄소 기반으로 만들어진 제품이 곧바로 활용되면서 다시 대기에 탄소를 돌려보내는 결과를 낳기도 한다. 반면 이번에 개발된 기술은 상대적으로 낮은 400℃의 온도로 상압 환경에서 작업 가능하고, 오랜 기간 쓰이는 탄소나노튜브나 나노섬유 소재로 전환되어 대기에 다시 배출되기까지 기간을 연장할 수 있다. 또 공정 부산물로 차세대 에너지로 주목받는 수소도 나온다. 연구진은 이산화탄소를 탄소나노섬유로 전환하는 과정을 두 단계로 나누고 각 단계에 다른 공정과 촉매를 적용하는 방식을 택했다. 일산화탄소(CO)가 이산화탄소에 비해 탄소나노섬유로 전환하기 쉽다는 점에 착안, 우선 이산화탄소를 효율적으로 일산화탄소로 바꾸는 방법을 찾았다. 전류가 흐르면 화학 반응을 유도하는 팔라듐 전기촉매를 이용해 이산화탄소와 물(H₂O)을 일산화탄소와 수소로 분리했다. 이어 철과 코발트 합금으로 열촉매를 만들어 일산화탄소에서 탄소나노섬유를 얻었다. 1천℃ 이상의 고온 환경에서 작업해야 하는 기존 공정과 달리 400℃의 낮은 온도에서 작업 가능하다. 코발트를 약간 첨가하면 탄소 나노섬유 수율이 높아진다는 점도 확인했다. 연구진은 밀도함수이론(DFT) 기반 연산 등 컴퓨팅 모델과 X선 촬영, 투과전자현미경(TEM) 등을 통해 물질의 변화 과정도 규명했다. 사용한 금속촉매를 추출하는 방법도 찾아 재활용 길을 열었다. 진광 첸 컬럼비아대학 화학공학과 교수는 "이산화탄소에서 탄소나노섬유를 얻는 공정을 2단계로 분리함으로써 유용한 물질을 효율적으로 만들어냈다"라며 "이 공정을 모두 신재생에너지로 진행할 수 있게 되면 탄소 저감의 새로운 가능성이 열릴 것"이라고 말했다. 논문 제목은 CO₂ fixation into carbon nanofibres using electrochemical–thermochemical tandem catalysis 이다.