라이스 대학교의 획기적인 기술로 CO₂ 전해조 작동 시간이 50배 더 ​​길어졌습니다.

물 대신 산을 통해 이산화탄소를 버블링하면 소금이 이산화탄소 변환기를 막는 것을 막아 작동 수명을 크게 연장할 수 있습니다. 저렴하고 간단한 조정으로 강력한 결과를 얻을 수 있으며, 재설계가 필요하지 않습니다. 출처: Shutterstock

라이스 대학의 연구팀은 이산화탄소를 유용한 연료와 화학물질로 전환하는 전기화학 장치의 안정성을 크게 개선하는 놀라울 정도로 간단한 방법을 발견했습니다. 이 방법은 단지 이산화탄소를 산성 버블러에 보내는 것 외에는 아무것도 필요하지 않습니다.

Science에 게재된 이 연구는 CO₂ 환원 시스템 의 성능과 안정성에 주요 병목 현상 인 가스 흐름 채널을 막고 효율을 저하시키며 장치의 조기 고장을 유발하는 염분 축적을 다룹니다. 연구진은 산 가습 CO₂라고 명명한 기술을 사용하여 CO₂ 환원 시스템 의 작동 수명을 50배 이상 연장했으며, 확장된 반응기에서 4,500시간 이상의 안정적인 작동을 입증했습니다. 이는 해당 분야의 획기적인 성과입니다.

전기화학적 CO 2 환원(CO 2 RR)은 재생 가능한 에너지원에서 생산된 전기를 이용하여 기후 온난화를 유발하는 CO 2를 일산화탄소, 에틸렌, 알코올과 같은 귀중한 제품으로 전환하는 신기술입니다 . 이러한 제품들은 정제 과정을 거쳐 연료로 사용되거나 산업 공정에 사용되어 주요 오염 물질을 원료로 전환할 수 있습니다.

그러나 시스템 안정성이 낮아 실제 구현이 어려웠습니다. 지속적인 문제 중 하나는 가스 흐름 채널에 중탄산칼륨 염이 축적되는 것인데, 이는 칼륨 이온이 양극액에서 음이온 교환막을 거쳐 음극 반응 영역으로 이동하여 높은 pH 조건에서 CO₂와 결합할 때 발생 합니다.

라이스 대학교 화학 및 생체분자 공학, 재료 과학, 나노공학 및 화학과 부교수이자 본 연구의 교신저자인 왕 하오티안은 "염 침전은 이산화탄소 수송을 차단 하고 기체 확산 전극을 침수시켜 성능 저하를 초래합니다."라고 말했습니다. "이러한 현상은 일반적으로 수백 시간 내에 발생하며, 상업적으로 실현 가능하기는 매우 어렵습니다."

이를 해결하기 위해 라이스 팀은 표준 절차에 우아한 변화를 시도했습니다. 반응기로 유입되는 CO₂ 가스의 가습을 위해 물을 사용하는 대신, 염산, 포름산 또는 아세트산과 같은 산성 용액을 통해 가스를 버블링했습니다.

산에서 발생하는 증기는 국소 화학 반응을 변화시키기에 충분한 미량으로 음극 반응실로 유입됩니다. 이러한 산으로 생성된 염은 중탄산칼륨보다 용해도가 훨씬 높기 때문에 결정화되어 채널을 막지 않습니다.

효과는 극적이었습니다. CO₂를 일산화탄소로 전환하는 데 일반적으로 사용되는 은 촉매를 사용한 실험에서 , 이 시스템은 실험실 규모의 장치에서 2,000시간 이상, 100제곱센티미터 크기의 대형 전해조에서는 4,500시간 이상 안정적으로 작동했습니다. 반면, 일반적인 물로 가습된 CO₂를 사용하는 시스템은 약 80시간 후 염분 축적으로 인해 작동이 중단되었습니다.

중요한 점은, 산 가습 방식이 산화아연, 산화구리, 산화비스무트 등 다양한 촉매 유형에 걸쳐 효과적인 것으로 입증되었다는 점입니다. 이 촉매들은 모두 다양한 CO 2 RR 생성물을 표적으로 삼는 데 사용됩니다. 연구진은 또한 이 방식이 성능 저하 없이 대규모 장치를 통해 에너지 효율을 유지하고 장기간 염분 차단을 방지할 수 있음을 보여주었습니다.

연구진은 산 농도를 낮게 유지함으로써 일반적으로 염화물에 민감한 음이온 교환막의 부식이나 손상을 최소화하는 것을 관찰했습니다. 또한 이 접근법은 일반적으로 사용되는 막 및 재료와 호환되는 것으로 나타났으며, 이는 기존 시스템에 통합될 수 있는 가능성을 더욱 높여줍니다.

연구팀은 염 형성을 실시간으로 관찰하기 위해 투명 유동판이 장착된 맞춤형 반응기를 사용했습니다. 기존의 물 가습 방식에서는 염 결정이 48시간 이내에 형성되기 시작했습니다. 그러나 산 가습된 CO2에서는 수백 시간이 지나도 결정의 축적이 관찰되지 않았으며, 작은 침전물도 결국 용해되어 시스템 밖으로 배출되었습니다.

라이스 대학교 화학 및 생체분자 공학 박사후 연구원인 샤오윤 하오는 "기존의 물 가습 CO₂ 방식을 사용하면 음극 가스 흐름 채널에 염이 형성될 수 있습니다."라고 말했습니다. "산 증기가 염을 용해시켜 용해도가 낮은 KHCO₃를 용해도 가 높은 염으로 전환시켜 촉매 성능에 영향을 미치지 않으면서 막힘을 방지할 수 있을 정도로 용해도 균형을 조절할 수 있다는 가설을 세우고 이를 확인했습니다."

이 연구는 더욱 내구성이 뛰어나고 확장성이 뛰어난 CO₂ 전해조 개발 의 가능성을 열어주는데, 이는 탄소 포집 및 활용 전략의 일환으로 산업 규모로 이 기술을 적용하는 데 필수적인 요소입니다. 기존 가습 시스템을 약간만 수정하면 되는 이 접근 방식은 간단하여 큰 규모의 재설계나 추가 비용 없이 도입할 수 있습니다.

라이스 대학교 화학 및 생체분자 공학과 대학원생이자 공동 제1저자인 아흐마드 엘가자는 "이것은 CO₂ 전기분해 에 있어 중요한 발견입니다 ."라고 말했습니다. "저희 방법은 저렴하고 쉽게 구현 가능한 솔루션을 통해 오랫동안 해결되어 온 난관을 해결합니다. 탄소 활용 기술을 상업적으로 더욱 실현 가능하고 지속 가능하게 만드는 데 한 걸음 더 다가간 것입니다."

본 연구는 로버트 A. 웰치 재단, 라이스 재단, 미국 국립과학재단, 데이비드 앤 루실 패커드 재단의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250622030532.htm