김현탁(왼쪽부터) 한국화학연구원 박사, 울산과학기술원의 권태혁·강석주·이근식 교수, 박재현 박사, 문진홍 석박사통합과정생

국내 연구진이 바닷물 속 이산화탄소(CO₂)를 전기분해해 해수 배터리의 문제점인 이산화탄소-나트륨 침전물을 줄이는 동시에 에탄올·프로판올 등 유용한 연료로 전환할 수 있는 세계 최고 성능의 촉매를 개발했다.

해수배터리 시장은 2030년 20억달러에 이를 것으로 전망되는데, 국내 기업의 시장 선점에도 도움이 될 지 관심이 집중된다.

한국화학연구원은 김현탁 박사와 권태혁(화학과)·강석주(에너지화학공학과)·이근식(화학과) 울산과학기술원(UNIST) 교수 공동 연구팀이 저렴한 비금속 촉매를 사용해, 이산화탄소를 다탄소 알코올로 합성하는 전기화학 방식의 전환 기술을 발표했다고 12일 밝혔다.

해수 배터리는 전해질로 사용하는 바닷물의 나트륨 이온이 리튬 배터리의 리튬이온처럼 양극·음극을 오가며 충·방전이 이뤄지는 이차전지다. 바닷물을 전해질로 사용해 자원이 풍부하고, 친환경적이며 화재·폭발 위험이 낮다는 장점이 있다. 하지만 다른 배터리에 비해 에너지 저장 용량이 적고 염분으로 인한 부식, 바닷물 속 이산화탄소가 나트륨과 결합한 석회 침전물이 전극에 붙어 충·방전 효율이 저하되는 등 단점도 있다.

개발된 전기화학 방식은 이산화탄소 분해를 통해 침전물을 줄이고, 유용한 연료로 전환하는 기능을 추가할 경우, 해수 배터리의 단점을 보완해 활용 가능성이 높아질 것으로 예상된다.

공동 연구팀은 저렴한 카본계 소재에 이종원소(붕소, 질소)를 동시에 도핑(첨가)한 비금속 촉매를 만들어 경제성 문제를 해결하고, 높은 선택도의 다탄소(C₂+) 알코올 변환 성과를 얻었다. 비금속계 촉매로는 세계 최초로 전기화학 기반의 고선택성 이산화탄소 전환 C₂+ 알코올 제조 기술을 개발한 것이다. 이를 바탕으로 해수 배터리의 전극에 새로 개발한 촉매를 적용한 신개념 이산화탄소 전환 시스템의 효과도 검증했다.

개발 촉매는 카본(흑연) 소재에 루이스 산(붕소)과 루이스 염기(질소)가 동시에 함유된 ‘좌절된 루이스 산-염기쌍 (FLP)’ 구조로 만든 BN-GFLP 물질이다. 해당 촉매는 상온·상압에서 이산화탄소의 탄소와 산소의 분해·결합 반응성을 동시에 높여 전환 효율이 뛰어나다. 분해·결합된 탄소는 세 가지 종류의 알코올 즉, 메탄올·에탄올·프로판올과 수소·일산화탄소로 바뀐다. 해수 배터리에 적용해 실험한 결과, 기준 전압(가역 수소 전극 전압) 대비 0.7V 낮은 상태에서 투입 에너지 중 87.9%가 변환에 쓰였다. 변환된 물질 중 다탄소 알코올(에탄올·프로판올)의 비중인 선택도는 95%였으며, 160시간 이상 안정적으로 작동했다.

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

고재우 기자