기후 연금술, 이산화탄소를 초강력 탄소 나노섬유로 전환한다

인간이 초래한 지구온난화를 완화하기 위해 과학자들은 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 제거하는 방법에 집중하고 있다. 최근 미국 브룩헤이븐국립연구소(BNL)와 컬럼비아 대학교(CU)의 과학자들이 이를 위한 새로운 방법 중 하나를 발표했다.

이산화탄소는 강력한 온실가스로서 열을 흡수하고 지구를 따뜻하게 하는 능력이 있다. 이산화탄소는 지구 대기의 자연적인 부분이지만, 인간 활동으로 인해 방출이 가속화되어 2021년에는 인간이 배출하는 모든 온실가스 중 79%를 차지하는 것으로 추정된다. 따라서 과학자들은 지구의 위험한 온난화 추세를 늦추거나 되돌릴 수 있기를 바라며 이산화탄소를 대기 밖으로 배출할 수 있는 방법을 찾기 위해 노력하고 있다.

11일자 국제학술지 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)'에 과학자들이 살아있는 박테리아에 이산화탄소를 고정하는 과정을 구현하여 공기 중 이산화탄소를 제거할 수 있다는 발표가 있었다. 작년에는 CO2를 흡수하는 콘크리트 제조 공정이 발표되었고, 가스를 흡수할 수 있는 목재 제조 공정도 발표됐다. 그리고 2022년에는 미국 와이오밍주에 세계 최대 규모의 이산화탄소 제거용 직접공기포집(DAC) 공장이 건설될 예정이라고 발표되었다.

그리고 이번에 대기 중 이산화탄소를 제거하는 보다 창의적인 접근 방식 중 하나가 연구자들에 의해 발표됐다. 이 방법은 비교적 낮은 열에서 전기화학적 반응과 열화학적 반응을 모두 사용하여 유해 가스를 유익한 탄소 나노섬유로 전환하는 것이다.

이산화탄소를 나노섬유로 전환하는 것은 이전에도 시도된 바 있지만, 이 공정은 1,000°C를 초과하는 매우 높은 온도가 필요했다. BNL과 CU 연구진은 서로 다른 공정을 사용하여 전환 공정을 여러 단계로 나누어 이 문제를 해결했다.

이번 연구의 수석 저자인 젠후아 시(Zhenhua Xie)는 "반응을 여러 하위 반응 단계로 분리하면 반응의 각 부분을 작동시키기 위해 서로 다른 종류의 에너지 입력과 촉매를 사용하는 것을 고려할 수 있다"고 말했다.

먼저 연구진은 탄소 위에 팔라듐(palladium)을 고정체로 한 전기 촉매를 사용했는데, 이 촉매는 전류가 유입되면 이산화탄소와 물의 혼합물을 일산화탄소(CO)와 수소(H2)로 분리한다.

그런 다음 연구진은 철-코발트 합금으로 만든 열촉매로 전환했다. 이를 통해 연구진은 첫 번째 단계의 CO를 400°C의 온도에서 탄소 나노섬유로 회전시킬 수 있었으며, 이는 산업 규모에서 사용하기에 훨씬 더 달성 가능한 수준의 열이라고 말한다.

연구를 주도한 CU의 징광 첸(Jingguang Chen)은 "전기촉매와 열촉매를 결합함으로써 우리는 이 두 가지 공정을 함께 사용하여 어느 한 공정만으로는 달성할 수 없는 것을 달성하고 있다"고 설명했다.

아울러 탄소 나노섬유가 형성되면서 촉매를 표면에서 밀어내어 촉매를 포집하여 재사용할 수 있게 되었다. 재사용 측면에서 연구진은 1단계에서 생산된 수소를 추가로 포집하여 연료원으로 재사용할 수 있다고 했다.

징광 첸은 "실제 적용을 위해서는 CO2 발자국 분석과 촉매의 재활용 가능성, 이 두 가지가 모두 매우 중요하다"면서 "우리의 기술적 결과와 이러한 다른 분석은 이 두 가지 전략이 CO2를 재생 가능한 이산화탄소를 생산하면서 가치 있는 고체 탄소 제품으로 탈탄소화할 수 있는 길을 열어준다는 것을 보여주는 것"이라고 말했다.

연구진은 탄소 나노섬유가 매우 강하기 때문에 특히 콘크리트 강화제로서 다양한 용도로 활용될 수 있다고 밝혔다.

마지막으로 그는 "탄소 나노섬유를 시멘트에 넣어 시멘트를 강화할 수 있다"며 "그렇게 하면 콘크리트에 탄소를 최소 50년 이상 가둘 수 있으며, 그때쯤이면 세계는 탄소를 배출하지 않는 재생 에너지원 위주로 전환해야 한다"고 덧붙였다.