| 초록 |
#6월 우수전문가 동향보고서(KOSEN Expert Insight)# 이 자료는 현대자동차에 계신 김병수전문가 께서 작성해주셨습니다. 1. 개요 무분별하게 사용된 화석연료로 인해 대기 및 해양에 증가하게 된 이산화탄소로 최근 이상 기후와 같은 많은 문제가 대두되고 있다. 이를 저감하기 위해 다양한 전략들 , 즉 , (i) 화석연료를 대신할 대체연료 및 에너지 개발, (ii) 이산화탄소 포집 및 저장, (iii) 빌딩과 같이 고에너지 사용처에 에너지 효율 향상 등이 이루어지고 있다. 이와 더불어 이산화탄소를 재활용하기 위한 다양한 방법들도 시도되고 있다. 그 중에서 전기화학적 이산화탄소 환원 혹은 활용 (Electrochemical Carbon Dioxide Reduction or Utilization Reaction, eCO 2 RR) 기술은 이산화탄소를 저감함과 동시에 대체 연료를 생산할 수 있다는 큰 장점 때문에 많은 이들의 관심을 받고 있다. 2. 주요 내용 우선 재생 가능 에너지(Renewable energy), 즉 태양열, 수력, 풍력 에너지부터 설명을 해야 한다. 친환경 정책과 기후변화 대책으로 인해 재생 가능 에너지의 규모가 커지고 있다. 그러나 간헐적으로 사용 가능하다는 재생 가능 에너지의 특징 때문에 현 시점에서 주요 에너지원으로 사용하기에는 한계가 있다. 그렇기에 특정 사용량을 제외한 그 이상의 재생 가능 에너지는 대규모의 배터리 (Large-scale battery)에 저장이 되거나 다른 용도로 활용이 되어야 한다. 재생 가능 에너지의 규모가 커짐에 따라 배터리에 저장하는 것만으로는 한계가 있기 때문에 실시간으로 활용이 되는 것이 더 효율적인 대안이다. 실시간 활용 기술 중 하나가 eCO 2 RR 기술이다. 재생 가능 에너지를 이용하여 이산화탄소를 전기화학적으로 변환하는 것이다. 변환된 화합물은 저장이 효율적인 액체/기체 상태임과 동시에 차세대 연료인 메탄올이나 에탄올 혹은 생필품 제조에도 사용할 수 있기 때문에 차세대 친환경 기술로서 혁신적이다. 경쟁 및 유사 기술로는 수전해 (water electrolysis)를 통한 수소 생산 기술도 존재한다. 수전해를 통한 수소 생산 기술은 이미 수십 년간 연구가 되어왔고 이미 Megawatt급으로 설비도 구축된 곳도 많이 있기 때문에 eCO 2 RR 기술보다 조금 앞서고 있다고 말할 수 있다. 그럼에도 불구하고 수전해 기술이 물을 분해하는 기술이라고 보았을 때, eCO 2 RR 기술은 이산화탄소를 저감하여 활용한다는 가능성 때문에 개발해야 할 근거는 충분하다. 물론, 높은 과전압(overvoltage)에서 기인하는 낮은 에너지 효율, 내구성 문제, 선택도 등에 대해서 개선해야 할 과제는 많이 남아 있다. 이제부터 위 기술의 현황과 아직 해결해야 할 과제를 살펴보도록 한다. 현 상황 : 현 eCO 2 RR 기술 현황을 정확히 파악하기 위해서는, 각 생성물 별로 얻어지는 전류 밀도 (current density), 에너지 효율 (energy efficiency), 선택도 (product selectivity or Faradaic efficiency), 과전압(overpotential), 안정성(stability) 등을 확인해야 한다. eCO 2 RR를 통해 얻을 수 있는 생성물로는 일산화탄소(carbon monoxide), 포름산(formic acid), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 메탄(methane), 에틸렌(ethylene) 등이 있다. 각 생성물 별로 현황을 분석해 보자. - 일산화탄소 (carbon monoxide, CO ) : Ag 혹은 Au 같은 귀금속 촉매가 90 #37; 이상의 높은 선택도를 갖기 때문에 주로 사용된다. CO를 생성하기 위해 필요한 전자 수도 가장 적기 때문에 eCO 2 RR 기술을 통해 가장 손쉽게 얻을 수 있다. 더불어 과전압도 함께 낮추기 위해 이온성 액체(ionic liquid) 등도 전해질로 사용되고 연구도 활발히 이루어지고 있다 [1]. 전류 밀도를 높이기 위해서는, 고온/고압 실험이 병행되고 있다 [2]. 그러나 , 고가의 촉매 및 일산화탄소의 활용도와 같은 해결해야 할 부분이 남아 있다. - 포름산 (Formic acid) : 현재까지, 주석(Sn)이 포름산을 생성하는 가장 좋은 촉매로 보인다. 낮은 에너지 효율과 높은 과전압에도 불구하고, 200 mA/cm -2 이상의 전류 밀도가 종종 발표되는 연구에서 보여진다 [3]. 고압 시스템에서는 500 mA/cm -2 이상의 전류 밀도도 기록되었다 [4]. 그러나 비교적 낮은 선택도 (70~80 #37;), 높은 과전압, 낮은 에너지 효율은 다양한 촉매 디자인과 전해질로 향상 시켜야 할 부분이다. -탄화수소 (hydrocarbon) 와 알코올 (Alcohol) : 탄화수소와 알코올은 일산화탄소와 포름산보다 활용성이 높다는 장점이 있지만, 현재까지 eCO 2 RR 기술을 활용해 lab-scale 이상으로 탄화수소/알코올을 생산한 적이 아직 없다. 우선, 생성되는 탄화수소와 알코올의 전류 밀도가 너무 낮다. Pilot scale 이나 양산 공정으로 가기에는 턱없이 부족하다 . (물론, 일산화탄소나 포름산도 양산 공정으로 가기에는 낮은 편이다). 메탄이나 에틸렌 같은 경우에는, 종종 높은 선택도를 보여주고는 있지만 전류 밀도( -2 )와 에너지 효율( -2 )가 낮다. 현재까지 탄화수소나 알코올에 80~90 #37; 이상의 선택도를 가지는 촉매가 없다는 점이 가장 큰 도전이지 않을까 싶다. 3. 해결 해야 할 과제 촉매(Catalyst) : 무엇보다도, 촉매 개발의 가장 큰 목적은 높은 과전압을 낮추고 높은 전류 밀도를 얻기 위함이다. 애노드에서의 OER 반응에서 과전압이 0V라고 가정하더라도 현재 캐소드에서의 과전압은 상당히 부담이 큰 상황이다. 대부분의 촉매들이 최소 300mV 이상의 과전압에도 생성물이 측정되지 않는다 [6]. 매우 활동도가 높은 촉매의 경우에 낮은 개시 전위(onset potential)가 나타나지만 전류 밀도는 현저히 낮은 상태이다. 촉매를 개발하는 또 다른 이유는 이산화탄소를 다양한 생성물로 변환하기 위함이다. 구리(Cu) 기반의 촉매들을 제외하고는, 알코올이나 탄화수소 생성물을 얻기는 매우 어렵다. 그러나 선택도 면에서 보자면 구리 기반 촉매들이 어려운 부분이 많기 때문에 2D 재료들이나 합금 촉매 등의 연구 혹은 구리 촉매의 다양한 구조에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 전극(Electrode) : 다양한 촉매에 관한 연구가 활발해짐에 따라, 전극에 대한 관심도 함께 많아지고 있다. 그러나 안타깝게도, 촉매 연구 관련 투자비 및 관심도에 비하면 상당히 미비한 수준이기 때문에 전극 개발에 대한 연구는 상당히 더딘 편이다. 다행히도, 연료전지(fuel cell)와 수전해(water electrolysis)에서 사용하는 전극에 대한 연구는 micro 크기부터nano 크기까지 성능과 구조의 관계가 넓게 진행되어 있다 [7]. eCO 2 RR 기술이 상용화되려면 결국 연료전지나 수전해 기술처럼 흐름 형태(flow-type)로 이루어 져야 하기 때문에 전극도 유사해질 가능성이 높다. 그러므로 연료전지/수전해 기술에서 사용하는 탄소 가스확산층 (Gas diffusion layer)과 같은 전극에 대한 선행연구들을 잘 활용하면 eCO 2 RR 기술을 위한 전극 개발에 박차를 가할 수 있을 것이다. 제조 방법(Preparation method) : 연료전지와 수전해 기술에서 사용되는 막전극접합체 (membrane-electrode assembly)를 제조하는 방식의 중요도는 널리 알려져 있다 [8]. 이유로는 반응물의 접근성과 촉매의 안정성 등이 이 제조 방식에 크게 의존적이기 때문이다. 이러한 이유로 브러싱(brushing), 전기분무(electrospraying), 데칼(decal) 전사, 전착(electro-deposition) 등의 다양한 방법들이 수세기 동안 연구가 되었다. 현재 eCO 2 RR을 위해 사용되는 촉매는 대체로 위와 같은 방법들을 활용해 공기확산층 위에 제조된다. 아쉽게도, 촉매에 대한 연구도 이제서야 활발히 진행 중이기 때문에 전극 제조 방법에 |
