이산화탄소(CO₂)를 포집하는 새로운 물질 개발과 그 전망

2024년 10월 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 오마르 야기(Omar Yaghi) 교수 연구팀이 "COF-999" 라는 공유결합 유기 구조체(Covalent Organic Framework, COF)를 개발하였습니다.

이 신물질은 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 효과적으로 포집하는 혁신적인 신소재입니다.

습도가 높은 환경에서는 훨씬 뛰어난 성능을 보이고, 20분에 전체 흡수 가능량의 50% 1시간에 80%를 흡수합니다, 60℃ 이상 가열하면 포집한 이산화탄소를 내뱉기 때문에 탄소 보관소만 따로 구비하면 쉽게 재사용이 가능합니다.

이 때문에 과학계는 물론 산업계에서도 DAC(Direct air capture)의 게임체인저로 이 물질을 주목하고 있습니다.

COF-999를 병에 담은 모습

 

1. 구조와 특징

(1) 다공성 결정 구조

COF-999는 육각형 채널로 이루어진 다공성 결정 구조를 가지며, 내부 기공은 폴리아민으로 장식되어 있어 CO₂ 분자와 효율적으로 결합할 수 있습니다.

(2) 공유결합 안정성

탄소-탄소 및 탄소-질소의 강력한 공유결합으로 구성되어 있어 물이나 기타 오염 물질에 의해 분해되지 않으며, 열적·화학적 안정성이 높습니다.

 

COF-999의 화학구조식(왼쪽)과 / COF-999가 CO₂를 흡착하는 모습을 나타낸 상상의 이미지(오른쪽)

 

2. 합성 과정

 

반응형

 

(1) COF-999-N₃ 합성

BPDA-N₃와 TCPB의 Knoevenagel 축합 반응을 통해 다공성, 결정질 구조의 COF-999-N₃를 합성합니다.

(2) 아민 환원

COF-999-N₃의 아자이드 작용기를 Staudinger 반응으로 아민으로 환원하여 COF-999-NH₂를 생성합니다.

(3) 폴리아민 형성

COF-999-NH₂에 아지리딘을 처리하여 기공 내에서 폴리아민을 형성함으로써 최종적으로 COF-999를 얻습니다.

 

3. 성능 및 특징

(1) CO₂ 포집 용량

400ppm의 CO₂ 농도에서 건조 조건에서는 0.96mmol/g, 상대 습도 50% 조건에서는 2.05mmol/g의 CO₂를 포집할 수 있습니다.

(2) 습도의 영향

상대 습도가 증가할수록 CO₂ 흡착 용량이 증가하며, 이는 기공 내 탄산염과 중탄산염의 형성이 CO₂ 흡착을 촉진하기 때문입니다.

(3) 흡착 속도

약 18분 만에 최대 흡착 용량의 50%에 도달하며, 1시간 내에 80%에 도달합니다. 이는 기존 연구 중 최고 수준의 속도로 평가됩니다.

(4) 재생 온도

60°C에서 CO₂를 방출하여 재생할 수 있어, 기존의 탄소 포집 방법보다 에너지 효율적입니다.

(5) 안정성

100회 이상의 흡착-탈착 사이클을 거치면서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동합니다.

 

COF-999는 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 효과적으로 포집하는 혁신적인 소재로 주목받고 있습니다. 그러나 상용화를 위해서는 다음과 같은 한계점과 과제가 존재합니다.

 

4. 상용화를 위한 한계점

(1) 대규모 생산 및 비용 문제

현재 COF-999의 대량 생산에 대한 구체적인 방법과 이에 따른 비용 구조는 명확하지 않습니다. 대규모 생산을 위한 공정 개발과 경제성 확보가 필요합니다.

(2) 장기적 안정성 검증

실험실 환경에서 100회 이상의 흡착-탈착 사이클에서도 성능 저하가 없음을 보였지만, 실제 환경에서의 장기적 안정성에 대한 추가 검증이 필요합니다.

(3) 에너지 효율성

CO₂를 방출하기 위해 60°C의 온도가 필요하며, 대규모 시스템에서의 에너지 소비와 효율성에 대한 평가가 필요합니다.

 

4. 미래 전망

현재 COF-999는 UC 버클리의 오마르 야기(Omar Yaghi) 교수 연구팀이 개발한 소재로, 직접적으로 관련된 기업은 확인되지 않았습니다. 그러나 탄소 포집 기술에 대한 관심이 높아짐에 따라, 관련 기업들이 이 기술의 상용화에 참여할 가능성이 있습니다.

탄소 포집 및 활용(CCUS) 시장은 2030년까지 약 1,139조 원 규모로 성장할 것으로 전망되며, 이는 COF-999와 같은 혁신적인 기술의 상용화에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

또한, COF-999는 낮은 CO₂ 농도에서도 효과적으로 작용하여 대기 중 탄소 포집의 한계를 극복할 것으로 기대됩니다. 또한, 제조 과정에서 고가의 특수 재료가 사용되지 않아 저렴한 생산 비용이 예상되며, 대규모 직접 공기 포집(DAC) 기술의 상용화를 통해 비용 효율적이고 환경 친화적인 탄소 포집 및 활용(CCUS) 시장의 발전에 기여할 것으로 전망됩니다.

COF-999의 개발은 기후 변화 대응과 탄소 중립 목표 달성에 중요한 돌파구를 제공하며, 향후 관련 연구와 기술 개발을 통해 더욱 효율적이고 경제적인 탄소 포집 솔루션이 등장할 것으로 기대됩니다.

COF-999의 상용화를 위해서는 대규모 생산 공정 개발, 경제성 확보, 장기적 안정성 검증 등의 과제가 남아 있습니다. 지속적인 연구와 투자를 통해 이러한 한계점을 극복한다면, COF-999는 탄소 중립 목표 달성에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.