인하대학교는 화학공학과 심상은 교수 연구팀이 실리카 기반 에어로젤을 활용해 이산화탄소를 포집하고 전환할 수 있는 새로운 촉매 플랫폼을 개발했다고 28일 밝혔다. 이번 연구는 기존에 단열재로만 활용되던 실리카 에어로젤의 용도를 확장한 것으로, 국제학술지 Chemical Engineering Journal(CEJ)에 게재됐다.
연구팀은 실리카 에어로젤의 기계적 취약성과 재사용 과정에서의 구조 불안정을 해결하기 위해 실리콘계 고분자인 PVMDMS와 친수성 고분자인 PVP를 결합한 복합 에어로젤을 개발했다. 이 복합 구조는 기존 에어로젤의 경량성과 다공성 특성은 유지하면서 내구성과 용매 안정성을 동시에 향상시켰다.
연구팀은 개발된 복합 에어로젤을 지지체로 삼아, 이산화탄소 흡착 물질인 TEPA와 이온성 액체 [EMIm]Br을 주입한 SLP(Supported Liquid Phase) 시스템을 구현했다. 이를 통해 하나의 재료 안에서 이산화탄소 포집과 화학적 전환 반응이 동시에 일어나는 통합형 촉매 구조를 완성했다.
이 시스템은 40℃ 조건에서 1g당 5.0mmol의 이산화탄소를 흡착했으며, 질소와의 혼합가스에서도 이산화탄소를 450배 더 선택적으로 포집하는 성능을 보였다. 또한 스타이렌 옥사이드와 이산화탄소를 반응시켜 탄산에스터를 생산하는 과정에서 86.4%의 수율과 95.1%의 선택도를 달성했다. 복합 에어로젤은 반복 세척과 재흡착 후에도 성능 저하 없이 안정적인 촉매 활성도를 유지했다.
이어 Advanced Composites and Hybrid Materials(ACHM)에 발표된 후속 연구에서는 동일한 복합 에어로젤을 기반으로 고분자 흡착제 PEI와 [EMIm]Br을 결합하고, 아연 이온(Zn²⁺)을 추가 도입해 고온·기상 반응 환경에서도 작동 가능한 촉매를 개발했다.
해당 촉매는 50~130℃의 온도 범위에서 안정적으로 작동하며, CO₂/N₂ 선택도는 5000 이상을 기록했다. 1900시간 이상 연속 운전에서도 99% 이상의 선택도로 프로필렌 카보네이트를 합성하는 데 성공했다.
이번 연구에는 이용진 교수팀이 계산화학 기법을 통해 물질과 기체 간 상호작용을 이론적으로 분석했고, 백성현 교수팀은 합성된 프로필렌 카보네이트를 리튬이온전지 전해질로 적용해 안정적인 충·방전 성능을 검증했다. 연구팀은 또한 수 그램(g) 단위에서 수십 킬로그램(kg) 규모의 반응으로 확장해도 구조적 안정성과 성능이 유지됨을 확인해 산업적 적용 가능성을 입증했다.
심상은 교수는 “이번 연구는 단열재로만 여겨지던 실리카 에어로젤을 이산화탄소 전환 촉매 플랫폼으로 확장한 사례로, 탄소중립 기술 실현에 기여할 새로운 가능성을 제시했다”며 “향후 산업 현장에서도 적용할 수 있도록 상용화 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.
헬로티 이창현 기자 |
