이산화탄소(CO²)가 그 어느 때보다 빠르게 대기 중에 축적되고 있는 가운데 영국 과학자들이 전기 스펀지로 공기 중에서 직접 탄소를 포집하는 기술을 개발했다.

미국 국립해양대기청(NOAA)에 따르면 NOAA의 글로벌모니터링연구소가 마우나 로아 대기 관측소에서 측정한 이산화탄소 수준은 지난 5월 427ppm으로 급상승하며 동월 기준 최고치를 기록했다.

매년 5월은 이산화탄소가 북반구에서 가장 높은 수준에 도달하는 달이다. 이번 측정 수치는 2023년 5월에 비해 2.9ppm 증가한 것이며 NOAA의 50년 기록 중 5번째로 큰 폭의 증가이기도 하다. 2023년의 3.0ppm 증가를 고려하면, NOAA가 측정을 시작한 이래 2022~2024년까지 2년 동안의 상승폭으로도 최고 기록이다.

이처럼 이산화탄소의 축적이 역대급인 가운데 에너지가 적게 느는 혁신적인 공기중 직접 탄소 포집 기술이 개발돼 주목을 끌고 있다.

케임브리지 대학 연구원들은 충전된 활성탄을 사용해 기존 방법보다 더 효과적으로 공기 중 이산화탄소를 직접 흡수할 수 있는 저에너지 탄소 포집 기술을 개발했다고 사이테크데일리가 9일(현지시간) 보도했다.

연구팀은 가정용 정수 필터에 일반적으로 사용되는 활성탄에 에너지를 공급하기 위해 배터리 충전 기술을 적용했다.

연구팀은 활성탄 '스폰지'를 CO₂와 가역적인 결합을 형성하는 이온을 충전함으로써, 이 충전된 물질이 공기에서 직접 CO₂를 성공적으로 포집할 수 있다는 사실을 발견했다.

연구를 주도한 유수프 하미드 화학과(Yusuf Hamied Department of Chemistry)의 알렉산더 포스 박사는 “대기 중 탄소 배출을 포집하는 것은 최후의 수단이지만 기후 위기의 심각성을 고려할 때 반드시 탐구해야 할 사항”이라고 말했다.

공기 직접 탄소 포집(DAC) 기술

스폰지와 같은 재료를 사용해 이산화탄소를 제거하는 공기 직접 탄소 포집(DAC) 기술은 탄소 포집을 위한 잠재적인 접근 방법 중 하나다. 그러나 현재의 접근 방식은 비용이 많이 들고 고온과 천연 가스 사용이 필요하며 안정성 부족 등의 단점이 잇다. 

포스 박사는 "대기로부터 탄소 포집을 위해 다공성 물질을 사용하는 몇가지 유망한 연구가 진행됐다"며 "활성탄은 저렴하고 안정적이며 대량으로 생산되기 때문에 우리는 활성탄이 옵션이 될 수 있는 지 확인하고 싶었다"고 설명했다. 

또한 충전된 활성탄 스폰지는 포집된 CO₂를 제거해 저장할 때 기존 방법보다 훨씬 낮은 온도를 필요로 하기 때문에 현재의 탄소 포집 방법보다 더 에너지 효율적일 수 있다.

연구 결과는 '네이처(Nature)' 저널에 게재됐다.

포스 박사는 "우리가 가장 시급하게 해야 할 일은 전 세계적으로 탄소 배출량을 줄이는 것이지만, 온실가스 순배출 제로를 달성하고 기후 변화의 최악의 영향을 제한하기 위해서는 온실가스 제거도 필요하다. 현실적으로 우리는 할 수 있는 모든 일을 해야 한다"고 말했다.

탄소 포집에서 활성탄의 역할

활성탄은 정수기 필터와 같은 많은 정제 응용 분야에서 사용되지만 일반적으로 공기 중에서 탄소를 흡수하고 보관하지는 못한다.

포스 박사 팀은 활성탄을 배터리처럼 충전할 수 있다면 탄소 포집의 적절한 재료가 될 수 있다고 제안했다.

연구팀은 활성탄을 수산화물이라는 화합물로 충전하면 이산화탄소와 가역 결합을 형성하기 때문에 탄소 포집에 적합할 것이라는 가설을 세웠다.

배터리를 충전할 때는 충전된 이온이 배터리 전극 중 하나에 삽입된다. 

이후 연구팀은 배터리와 유사한 충전 프로세스를 사용해 저렴한 활성탄 천을 수산화물 이온으로 충전했다. 이 과정에서 천은 본질적으로 배터리의 전극과 같은 역할을 하며 수산화물 이온이 활성탄의 작은 기공에 축적된다. 충전 과정이 끝나면 활성탄을 배터리에서 제거해 세척해서 말린다.

연구팀은 충전된 활성탄 스폰지 테스트 결과 수산화물의 결합 메커니즘 덕분에 공기 중에서 직접 이산화탄소를 성공적으로 포집할 수 있는 것을 확인했다. 

포스 박사는 "이것은 배터리와 같은 프로세스를 사용해 새로운 재료를 만드는 방법"이라면서 "CO₂ 포집 속도는 기존 방법과 비슷하다. 이 방법이 유망하다고 보는 것은 에너지를 훨씬 더 적게 사용한다는 점이다"라고 설명했다.

저온에서 수산화물-CO₂ 역전 

포집된 CO₂를 정제하고 저장할 수 있도록 활성탄에서 탄소를 회수하기 위해서는 활성탄을 가열해 수산화물-CO₂를 역전시켜야 한다. 

대기로부터 CO₂를 포집하는 데 현재 사용되는 대부분의 재료에서는 900°C와 같은 높은 온도까지 가열해야 하며 종종 천연 가스를 사용해야 한다. 

그러나 케임브리지 팀이 개발한 충전된 활성탄 스폰지는 90~100°C만 가열하면 되며 이는 재생 에너지로 달성할 수 있는 온도다.

재료는 저항 가열을 통해 가열되며, 이는 본질적으로 재료를 안팎으로 가열해 프로세스를 더 빠르고 에너지 효율적으로 만든다.

하지만 아직 재료의 한계도 있다. 포스 박사는 "우리는 현재 포집할 수 있는 이산화탄소의 양을 늘리는 데 노력하고 있으며, 특히 성능이 저하되는 습한 조건에서 이산화탄소의 포집 양을 늘이기 위해 더욱 애쓰고 있다"고 말했다.

연구원들은 이 접근 방식이 탄소 포집 분야를 넘어 활용될 수 있다고 말했다. 기공과 활성탄에 삽입된 이온을 미세 조정해서 다양한 분자를 포집할 수 있기 때문이다.