'바다 속 이산화탄소' 광물로 바꾸는 신기술로 탄소 순감축 달성

공기 중 탄소 포집 방식과 차별화... 바닷물 속 CO2를 광물로 직접 전환

대기 포집 한계 깬 해양 생체모방 기술... 열에너지 없이 '탄소 순감축' 달성

▲ (좌측부터) 화공생명학과 박제영 교수, 박정식 석박통합과정, 고려대 오동엽 교수 

서강대학교(총장 심종혁) 화공생명공학과 박정식 연구원, 박제영 교수 연구팀은 고려대학교 오동엽 교수 연구팀과 공동으로, 해양 무척추동물이 껍데기를 만드는 원리를 흉내 내어 바닷물 속 이산화탄소(CO2)를 고효율로 포집하는 새로운 '하이드로젤'을 개발했다고 밝혔다.

지구온난화를 막기 위해서는 우리가 배출하는 이산화탄소를 줄이는 것뿐만 아니라, 공기나 바다에 이미 퍼져 있는 이산화탄소를 거대한 청소기처럼 빨아들이는 '탄소 포집 기술'이 반드시 필요하다. 기존의 주요 기술들은 대기 중의 이산화탄소를 직접 포집하는 방식이었다. 하지만 이 방식은 모아둔 이산화탄소를 다시 떼어내기 위해 60도 이상의 높은 열에너지를 써야 한다는 단점이 있었다.

이에 연구팀은 공기 대신 '바다'로 눈을 돌렸다. 바다에는 대기보다 40배 이상 훨씬 많은 이산화탄소가 녹아 있기 때문이다. 연구팀은 조개나 산호 같은 해양 생물이 바닷물 속에서 탄산칼슘 껍데기를 단단하게 만드는 '생체광물화' 원리를 모방했다.

▲ 해양 이산화탄소 포집 및 광물화 동영상의 스크린샷 

영상) https://pubs.rsc.org/ta/article-supplement/1292126/mp4/d6ta03540j2_suppl/

연구팀이 독자적으로 설계한 이 하이드로젤을 바닷물에 넣으면, 젤 표면 주변의 알칼리성만 살짝 높이고 칼슘 이온을 끌어모은다. 그 결과 바닷물 속에 녹아 있던 이산화탄소가 하이드로젤 표면에서 산업적으로 널리 쓰이는 탄산칼슘 광물인 아라고나이트(Aragonite)로 바로 변환된다. 바닷물 전체의 산성도를 흩트려 생태계를 파괴하던 기존 해양 알칼리화 기술의 문제점도 해결한 것이다.

▲ 연구팀이 제조한 ‘하이드로젤’ 및 해양 이산화탄소 포집 후 형성된 ‘인공 산호’ 광물의 전자현미경 사진 

특히 이번 성과는 2025년 노벨화학상을 받은 세계적 석학 야기(Omar M. Yaghi) 교수의 연구로 대표되는 기존 대기 중 탄소 포집 방식의 열역학적 한계를 '해양 직접 광물화'라는 새로운 패러다임으로 극복했다는 점에서 큰 주목을 받고 있다. 야기 교수팀이 2024년 최고 권위의 학술지 '네이처(Nature)'에 발표한 흡착 물질(COF-999)은 습도 50% 환경에서 1그램당 2.05 밀리몰(mmol)의 이산화탄소를 포집했다. 반면, 본 연구팀의 하이드로젤은 이산화탄소 농도가 40배 높은 바닷물 환경을 적극 활용하여 상온에서 1그램당 2.85 밀리몰의 이산화탄소를 고체 광물로 즉각 전환하는 탁월한 효율을 입증했다.

이 기술은 고온의 열을 가해 이산화탄소를 가스로 떼어내거나 압축할 필요가 없어 막대한 에너지 소모를 막아준다. 또한, 다 쓴 하이드로젤에 친환경 알칼리 물질을 채워 넣으면 계속해서 이산화탄소를 포집하며 여러 번 재사용할 수 있다. 이러한 재사용 원리 덕분에 전체 공정에서 배출되는 탄소보다 포집하여 없애는 탄소량이 더 많아지는 진정한 의미의 '탄소 순감축(Net-negative)'을 달성할 수 있다.

박제영 교수는 "바닷물 속에 녹아 있는 이산화탄소를 직접 광물로 바꾸는 이번 기술은 막대한 열에너지가 필요했던 기존 대기 중 탄소 포집 기술의 한계를 극복한 것"이라며, "자연에서 배운 친환경적인 방법으로 이산화탄소를 유용한 자원으로 바꿀 수 있는 실질적인 해결책이 될 것"이라고 연구의 의의를 설명했다.

▲ 해양 이산화탄소 포집 및 광물화 과정을 묘사하는 표지 논문 그림 

이번 연구는 과학기술정보통신부의 'C1 가스 리파이너리 밸류업 사업'의 지원을 받아 진행되었다. 연구결과는 재료 화학 분야의 권위 있는 국제 학술지 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)'에 게재되었으며, 그 우수성을 인정받아 전면 표지 논문(Outside Front Cover)으로 선정되었다.

▶ 논문제목:

‘Paradigm-shifting carbon capture with high efficiency and net-negativity through bio-inspired oceanic mineralization’

(1저자: 박정식 연구원; 공동교신저자: 오동엽, 박제영 교수)

▶ 논문링크: https://doi.org/10.1039/d6ta03540j

▶ 연구실 홈페이지: https://sites.google.com/view/jyp-plastic-research/

▲ (좌측부터) 화공생명학과 박정식 석박통합과정, 박제영 교수, 고려대 오동엽 교수