연구자들은 공기 중 이산화탄소를 직접 포집할 수 있는 물질을 만드는 저비용, 에너지 효율적인 방법을 개발했습니다.
캠브리지 대학의 연구원들은 가정용 정수 필터에 자주 사용되는 활성탄을 충전하기 위해 유사한 배터리 충전 방법을 사용했습니다.
연구진은 이산화탄소와 가역적 결합을 형성하는 이온을 숯 “스펀지”에 충전함으로써 충전된 물질이 공기에서 직접 이산화탄소를 성공적으로 포집할 수 있다는 사실을 발견했습니다.
충전된 석탄 스펀지는 포집된 이산화탄소를 제거하여 저장하는 데 훨씬 낮은 온도가 필요하기 때문에 현재의 탄소 포집 방법보다 에너지 효율적일 가능성이 높습니다. 그만큼 결과 네이처 매거진에 보도되었습니다.
연구를 주도한 Yousef Hamid 화학과의 Alexander Fors 박사는 “대기에서 탄소 배출을 포착하는 것은 최후의 수단이지만 기후 비상 사태의 규모를 고려할 때 조사해야 할 사항입니다.”라고 말했습니다. “우리가 해야 할 첫 번째이자 가장 시급한 일은 전 세계적으로 탄소 배출을 줄이는 것이지만, 온실가스를 제거하는 것도 순 제로 배출을 달성하고 기후 변화의 최악의 영향을 제한하는 데 필수적이라고 믿어집니다. 현실적으로 우리는 해야 합니다. 우리가 할 수 있는 모든 것.”
스펀지 같은 물질을 사용하여 대기에서 이산화탄소를 제거하는 직접 공기 포집은 탄소 포집에 대한 한 가지 잠재적인 접근 방식이지만 현재 방법은 비용이 많이 들고 고온과 천연 가스 사용이 필요하며 안정성이 부족합니다.
Force는 “대기에서 탄소를 포집하기 위해 다공성 물질을 사용하는 것에 대한 몇 가지 유망한 작업이 수행되었습니다.”라고 말했습니다. “우리는 활성탄이 저렴하고 안정적이며 대규모로 제조되기 때문에 옵션이 될 수 있는지 확인하고 싶었습니다.”
활성탄은 정수 필터와 같은 다양한 정화 용도에 사용되지만 일반적으로 공기 중 이산화탄소를 포집하고 보유할 수는 없습니다. Force와 그의 동료들은 활성탄이 배터리처럼 충전될 수 있다면 탄소 포집에 적합한 재료가 될 수 있다고 제안했습니다.
배터리를 충전할 때 충전된 이온이 배터리 전극 중 하나에 유입됩니다. 연구자들은 수산화물이라고 불리는 화합물로 활성탄을 충전하면 수산화물이 이산화탄소와 가역적 결합을 형성하기 때문에 탄소 포집에 적합할 것이라는 가설을 세웠습니다.
연구팀은 수산화물 이온으로 저렴한 활성탄 천을 충전하기 위해 배터리와 같은 충전 과정을 사용했습니다. 이 과정에서 천은 본질적으로 배터리의 전극 역할을 하며 수산화 이온은 숯의 작은 구멍에 축적됩니다. 충전 과정이 끝나면 “배터리”에서 숯을 제거하고 세척하고 건조합니다.
충전된 숯 스펀지를 테스트한 결과 수산화물 간의 결합 메커니즘 덕분에 공기에서 직접 이산화탄소를 성공적으로 포집할 수 있는 것으로 나타났습니다.
Force는 “이것은 배터리와 같은 공정을 사용하여 재료를 만드는 새로운 방법입니다.”라고 말했습니다. “CO2 포집 속도는 이미 기존 재료와 비슷합니다. 그러나 훨씬 더 유망한 점은 이 방법이 훨씬 덜 에너지 집약적일 수 있다는 것입니다. 왜냐하면 CO2를 포집하고 숯 스펀지를 재생하기 위해 고온이 필요하지 않기 때문입니다.”
석탄에서 이산화탄소를 수집하여 정제하고 저장하려면 물질을 가열하여 수산화물과 이산화탄소 결합을 반전시킵니다. 현재 공기 중 이산화탄소를 포집하는 데 사용되는 대부분의 재료는 종종 천연 가스를 사용하여 최대 900°C의 온도로 가열해야 합니다. 그러나 캠브리지 팀이 개발한 충전 숯 스폰지는 섭씨 90~100도까지만 가열하면 되는데, 이는 재생 가능한 전기를 사용하여 달성할 수 있는 온도입니다. 재료는 저항 가열을 통해 가열되는데, 이는 본질적으로 재료를 내부에서 바깥쪽으로 가열하므로 공정이 더 빠르고 에너지 소비가 줄어듭니다.
그러나 이 자료에는 연구자들이 현재 연구하고 있는 한계가 있습니다. Force는 “우리는 특히 성능이 저하되는 습한 조건에서 포집할 수 있는 이산화탄소의 양을 늘리기 위해 노력하고 있습니다.”라고 말했습니다.
연구원들은 석탄의 기공과 그 안에 삽입된 이온이 다양한 분자를 포착하도록 조정될 수 있기 때문에 그들의 접근 방식이 탄소 포집 이상의 영역에서 유용할 수 있다고 말합니다.
Force는 “이 접근 방식은 코로나바이러스 봉쇄 기간 동안 우리가 생각해낸 미친 아이디어였기 때문에 이러한 아이디어가 실제로 작동할 때마다 항상 흥미진진합니다.”라고 말했습니다. “이 접근 방식은 간단하고 에너지 효율적인 방식으로 다양한 응용 분야에 대한 모든 종류의 재료를 만들 수 있는 문을 열어줍니다.”
특허가 출원되었으며 연구는 대학의 상업 부서인 캠브리지 재단의 지원을 받아 상업화되고 있습니다.
이 연구는 Leverhulme Trust, 왕립학회, EPSRC(Engineering and Physical Sciences Research Council), UKRI(UK Research and Innovation) 산하 기관, Cambridge Center for Climate Reform의 일부 지원을 받았습니다.
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“트위터를 통해 다양한 주제에 대한 생각을 나누는 아 동율은 정신적으로 깊이 있습니다. 그는 맥주를 사랑하지만, 때로는 그의 무관심함이 돋보입니다. 그러나 그의 음악에 대한 열정은 누구보다도 진실합니다.”