지구 온난화를 늦추려면 온실가스 배출을 대폭 줄여야 합니다. 여기에는 화석 연료를 단계적으로 폐지하고 에너지 절약 기술을 채택하는 것이 포함됩니다. 그러나 배출량을 줄이는 것만으로는 기후 목표를 달성하기에 충분하지 않습니다. 대기 중 다량의 이산화탄소를 제거해 지하에 저장하거나 탄소중립 소재로 산업계에서 재사용하는 것도 중요하다. 현재의 탄소 포집 기술은 효과적이기는 하지만 에너지 집약적이고 비용이 많이 듭니다.
따라서 ETH Zurich의 연구원들은 빛을 활용하는 새로운 방법을 개발하고 있습니다. 이 접근 방식을 사용하면 미래의 탄소 포집에 필요한 에너지는 태양에서 나옵니다.
전기화학 에너지 시스템 교수인 마리아 루카츠카야(Maria Lukatskaya)가 이끄는 과학자들은 산성수에서는 이산화탄소가 이산화탄소로 존재하지만 알칼리수에서는 이산화탄소가 반응하여 탄산염으로 알려진 탄산염을 형성한다는 사실을 이용하고 있습니다. 이 화학 반응은 가역적입니다. 액체의 산도에 따라 액체에 이산화탄소가 포함되어 있는지 탄산염이 포함되어 있는지가 결정됩니다.
액체의 산도에 영향을 주기 위해 연구진은 빛에 반응하는 분자(광산이라고 함)를 추가했습니다. 이 액체에 빛을 비추면 이 분자가 액체를 산성으로 만듭니다. 어둠 속에서는 원래의 상태로 돌아가 액체를 알칼리성으로 만듭니다.
ETH 연구원의 방법이 자세히 작동하는 방식은 다음과 같습니다. 연구원은 광산이 포함된 액체를 통과시켜 어둠 속에서 공기로부터 이산화탄소를 분리합니다. 이 액체는 알칼리성이므로 이산화탄소가 반응하여 탄산염을 형성합니다. 액체 속의 염분이 일정 수준까지 축적되면, 연구자들은 액체에 빛을 비춥니다. 이는 액체를 산성으로 만들고 탄산염은 이산화탄소로 변환됩니다. 이산화탄소는 콜라병처럼 액체에서 거품이 나와 가스 탱크에 모일 수 있습니다. 액체에 이산화탄소가 거의 남지 않았을 때, 연구진은 광원을 끄고 사이클이 다시 시작되어 액체가 이산화탄소를 포집할 수 있게 되었습니다.
"그러나 실제로 문제가 발생했습니다. 사용된 광산은 물에서 안정적이지 않았습니다."라고 Lukatskaya 연구 그룹의 박사 과정 학생이자 이번 연구의 첫 번째 저자인 Annade Vries는 말했습니다. "초기 실험에서 우리는 분자가 하루 후에 분해되는 것을 발견했습니다."
그래서 Lukatskaya, de Vries 및 그들의 동료들은 분자의 붕괴를 분석했습니다. 그들은 물이 아닌 물과 유기 용매의 혼합물에서 반응함으로써 이 문제를 해결했습니다. 과학자들은 실험실 실험을 통해 두 액체의 최적 비율을 결정하고 파리 소르본 대학 연구진의 모델 계산을 통해 그 결과를 설명했습니다.
첫째, 혼합물은 거의 한 달 동안 용액 내 광산 분자를 안정적으로 유지했습니다. 반면에, 필요에 따라 빛이 산성 용액과 알칼리성 용액 사이를 앞뒤로 전환할 수 있도록 보장합니다. 연구진이 사용한 유기용매에 물이 포함되어 있지 않으면 반응은 되돌릴 수 없습니다.
다른 탄소 포집 과정도 주기적입니다. 잘 확립된 방법 중 하나는 필터를 사용하여 주변 온도에서 이산화탄소 분자를 수집하는 것입니다. 이후에 필터에서 이산화탄소를 제거하려면 필터를 약 섭씨 100도까지 가열해야 합니다. 그러나 가열과 냉각은 모두 에너지 집약적입니다. 즉, 필터 방식에 필요한 에너지의 대부분을 차지합니다.
Lukatskaya는 "반면에 우리 공정에는 가열이나 냉각이 필요하지 않기 때문에 훨씬 적은 에너지가 필요합니다"라고 말했습니다. "그뿐만 아니라, ETH 연구진의 새로운 방법은 햇빛에서만 작동할 수도 있습니다. 우리 시스템의 또 다른 흥미로운 점은 몇 초 안에 알칼리성에서 산성으로 전환하고 몇 분 안에 다시 알칼리성으로 돌아갈 수 있다는 것입니다. 이를 통해 온도 기반 시스템보다 훨씬 빠르게 탄소 포집과 탄소 방출 사이를 전환할 수 있습니다."
이번 연구를 통해 연구진은 광산이 실험실에서 이산화탄소를 포집하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 다음으로 광산 분자의 안정성을 더욱 향상시켜 시장에 선보일 예정이다. 또한 프로세스를 더욱 최적화하기 위해 전체 프로세스의 매개변수를 연구해야 합니다.
참조: Annade Vries, Kateryna Goloviznina, Manuel Reiter, Mathieu Salanne 및 Maria R. Lukatskaya의 "이산화탄소 포집 및 방출을 위한 안정적인 광 구동 pH 스위치로서 용해된 조정 광산", 2023년 12월 20일, "재료 화학".
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02435
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