CO2를 재생 가능한 프로판 연료로 효율적으로 전환하는 혁신적 전기분해 장치

 (scienceswitch.com)
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  • CO2를 프로판으로 직접 전환하는 전기분해 장치가 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 재료로 구현되어 온실가스 저감과 재생 화학물질 제조의 가능성 제시
  • 값싼 금속과 유기 화합물 기반의 독자적 촉매 시스템으로 탄소 원자 3개로 구성된 프로판 생산
  • 그동안 극히 어려웠던 CO2의 다중 탄소 분자 전환을 실험과 전산 모델링으로 해결하며 촉매의 반응 활성·선택성 규명
  • 연속 흐름(continuous-flow) 설계로 기존 배치 방식의 한계를 넘어 중단 없는 확장형 프로판 생산 구현
  • 2050년 넷제로 목표와 연계되며 정부 기관과 글로벌 프로판 기업의 지원을 받는 지속가능 화학 제조의 진전

전기분해 장치 개요

  • Illinois Institute of Technology(IIT) 연구진이 이산화탄소를 프로판으로 효율적으로 전환하는 전기분해 장치 개발
    • 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 재료를 사용해 구현
    • 연구 결과는 Nature Energy에 게재
  • 온실가스 배출 저감과 재생 가능한 화학물질 제조에 상당한 가능성 제공
  • 연구를 주도한 Mohammad Asadi "재생 가능한 화학물질 제조는 매우 중요하며, 현재 일상적으로 쓰는 화학물질을 잃지 않고 탄소 순환을 닫는 최선의 방법"

핵심 기술 — 촉매 시스템

  • 저렴한 금속과 유기 화합물을 활용한 독자적 촉매 시스템이 혁신성의 핵심
    • 프로판은 탄소 원자 3개로 구성된 널리 쓰이는 연료
    • 지금까지 CO2를 프로판 같은 복잡한 다중 탄소 분자로 전환하는 일은 극히 어려운 과제
  • 실험과 전산 모델링을 결합해 촉매가 높은 반응 활성과 프로판에 대한 선택성을 달성하는 원리 규명
    • 촉매의 성능과 안정성에 영향을 미치는 핵심 요인 파악

연속 흐름 설계의 장점

  • 연속 흐름(continuous-flow) 전기분해 설계가 이 기술의 주요 강점
    • 중단 없는 확장 가능한 프로판 생산 실현
    • 기존 배치(batch) 방식 CO2 전환 시스템의 한계 극복
  • 실험실 규모 프로토타입 구현으로 상업적으로 실현 가능한 지속가능 에너지 솔루션 개발 의지 입증

의의와 협력

  • 2050년 넷제로 온실가스 배출 달성을 위한 국가적 노력과 부합
  • Advanced Research Projects Agency-Energy 등 정부 기관의 호평과 지원 확보
  • 글로벌 프로판 기업 SHV Energy와 협력해 기술 최적화 및 확산 추진
    • SHV Energy의 Keith Simons "이 필수 연료의 전 세계 사용자를 위한 목적 지향형 프로판 생산의 새로운 e-fuel 경로를 여는 흥미로운 진전"
  • 산업 탄소 배출 저감 잠재력과 함께 지속가능·재생 화학 제조를 향한 중요한 진전

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 실제 과학적 내용은 이 부분임: “음이온 교환 아이오노머로 코팅된 1-ethyl-3-methylimidazolium 기능화 Mo3P 나노입자 촉매 시스템이 전해조에서 가역 수소 전극 대비 −0.8V, 100시간 동안 −395 mA cm−2의 전류 밀도와 91%의 패러데이 효율로 CO2에서 프로판을 만든다”
    거의 믿기 어려울 정도로 좋고, 상업적으로 의미 있는 반응 속도·효율·시간 범위를 보여줌
    특허는 이미 냈을 테니, 20년 뒤 특허가 만료되면 회수된 CO2를 처리하는 표준 방식이 될 것 같음

    • “20년 뒤 특허가 만료되면”이라는 전제는 특허권자가 그 20년 동안 투자 수익 극대화를 안 할 때나 맞음
      기술이 정말 그 정도로 효과적이고 특허권자가 조금이라도 경제적으로 합리적이라면, 특허 만료 훨씬 전부터 회수 CO2 처리의 표준으로 밀어붙일 쪽은 특허권자일 가능성이 큼
      특허가 장점만 있는 제도는 아니지만, 이 그림에서 무시하기엔 너무 큰 요소임
    • 이 분야에 이미 특허가 하나 있음: “Methods and devices using tri-transition metal phosphides for efficient electrocatalytic reactions” https://patents.google.com/patent/US20220154354A1/en
      초록은 전기촉매 에너지 변환 셀의 전극에 tri-transition metal phosphide 촉매를 도입해 수소 가스를 만드는 방법과 장치에 관한 내용임
      Google Patents는 “M03P”라고 쓰지만 PDF 초록은 “MO3P”라고 하고, 본문상으로는 명확히 “Mo3P”임
      이 특허가 정확히 이번 기술이 아니더라도, 보충 그림 20에서 ImF-Mo3P 촉매가 “pristine Mo3P nanoparticles”보다 개선된 것을 보여주고 저자들에게 관련 특허가 여러 개 있으니 이번 기술도 특허를 냈을 가능성이 높음
    • 회수 CO2라고 해도 대기에서 회수한 CO2일 때 이야기임
      오늘날 농축 CO2는 거의 모두 화석연료 소비에서 나오고, 그걸 프로판으로 바꿔 배나 가정용 보일러에서 태우면 탄소를 두 번 쓰는 셈이긴 하지만 결국 대기로 방출됨
      핵심은 대기 탄소 포집 + 촉매 프로판 생산 + 프로판 연소의 전체 효율임
      연소열이 꼭 필요한 공정이나, 전기보다 프로판의 휴대성이 큰 이점인 경우에는 계산이 맞을 수도 있고, 재생에너지 사이의 전력 저장 매체가 될 수도 있음
      결국 숫자에 달려 있음
    • 남은 쟁점은 촉매 내구성임
    • 이 숫자들을 일반인이 이해할 수 있게 설명해줄 수 있을까?
      예를 들어 내 차가 LPG 100kWh어치를 태운다면, 배기가스에서 프로판 몇 kWh를 회수할 수 있고 거기에 전기 몇 kWh를 넣어야 하는지 궁금함

  • 이 방식이 CO2가 약간만 있어도 되는지, 아니면 O2가 없는 농축 CO2 분위기가 필요한지 명확하지 않음
    대기 중 0.4% CO2를 추출하는 건 비쌈
    용광로 같은 곳에서 나오는 농축 CO2를 쓰려는 거라면, 현장에서 바로 써야 하는지, 장거리 파이프로 보내야 하는지, 병에 담아야 하는지도 문제임
    전기로 대체할 수 없어서 반드시 프로판을 태워야 하는 용도가 있는지도 궁금함

    • 이건 지금 수소를 쓰려고 계획하는 거의 모든 곳에 들어갈 수 있고, 저장 용량이 더 크다는 장점도 있을 듯함
      유럽에는 여름에 가스를 사서 겨울 난방에 쓰기 위한 거대한 천연가스 저장 시설이 있음
      재생 가능 방식으로 비슷한 저장 수단이 필요해질 텐데, 그 저장고를 그린 프로판으로 채울 수 있다면 대단할 것임
      기존 난방 인프라를 유지할 수 있고, 여름 태양광 과잉 생산분을 훌륭하게 활용할 수 있음
      솔직히 너무 좋아서 믿기 어려운 수준임
    • 있음. 예를 들면 선박임
      원양 대형 선박을 전 구간 배터리로 운항하는 건 불가능에 가깝지만, LPG, 사실상 프로판/부탄 혼합물로는 가능함
      더 큰 탄화수소로 결합하는 추가 화학 또는 생명공학 기술이 개발되면, 항공 합성연료의 전구체로도 쓸 수 있음
    • 단기적으로는 “반드시”가 핵심이 아님
      지금 프로판을 쓰는 것들이 너무 많고, 그것들을 전부 전기로 개조하는 것보다 재생 프로판을 보내는 편이 훨씬 쉬움
    • “반드시”인지는 논쟁적이지만, 여기 네덜란드에 있는 흔한 프로판 파티오 히터는 최대 13,000W까지 올라감
      전기로 만들면 13k/220 = 60A 연결이 필요하고, 여기 가정용 배선 표준의 3배임
    • 대기 중 CO2 농도는 0.4%가 아니라 0.04% 임
      그리고 이 공정의 원천으로 쓰기엔 너무 낮다는 점은 맞음

  • 2019년에 Stanford에서 비슷하게 발표했던 건 어떻게 됐을까? https://news.stanford.edu/2019/10/17/new-catalyst-helps-turn-carbon-dioxide-fuel/

    • https://en.m.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_elements_in_Earth%27s_crust
      루테늄과 이리듐은 안정적인 촉매로 알려져 있지만, 가장 희귀한 원소들에 속함
      Stanford 쪽 구조는 Ru를 썼고, 이번 논문은 풍부한 재료만 제안하는 것처럼 보임
      규모 있게 쓸 수 있고 안정성도 입증된다면 중요한 진전임

  • 같은 막/촉매를 역방향 공정에도 쓸 수 있을지 궁금함
    즉 프로판을 대기 중 산소로 산화해 물과 CO2를 내보내고, 열 대신 전기를 직접 만들면서 손실을 크게 줄이는 방식임
    가능하다면 에너지 저장에 큰 의미가 있을 수 있음
    프로판의 에너지 밀도는 49.6 MJ/kg이고, 리튬이온 배터리는 약 0.8 MJ/kg라서 50배 이상 차이가 남

    • 프로판 연료전지는 한동안 존재해 왔음: https://www.wattfuelcell.com/portable-power/watt-imperium/
    • 가능하다면 미국 남서부 기준으로는 독립형 생활이 거의 쉬워질 것 같음
      태양광 패널로 전기를 만들고, 이 시스템으로 프로판이나 전기를 만들고, 흐린 날이나 몇 주를 대비해 시판 대형 프로판 탱크를 두면 됨

  • 전해조 반응은 대체로 가역적임
    이들이 역방향, 즉 물+프로판 → CO2+수소+전기를 주장한 효율 91%로 할 수 있다면, 보통 최고 효율이 60% 정도인 가스터빈 발전기를 전부 대체할 수 있음

    • 가스터빈은 연료전지보다 훨씬 규모 확장이 잘 되고, 출력 밀도가 높으며, 내구성이 좋고, 지나치게 희귀한 재료 없이 만들 수 있는 검증된 기술임
      간헐적 재생에너지 생산분을 프로판으로 바꿔 저장하는 문제만 해결할 수 있다면 이미 이긴 셈임
    • 역방향 전해조라면 연료전지라고 부르는 것 아닌가?
      일반적인 효율은 어느 정도일까?
    • 화학 반응식은 이렇게 되어야 하지 않나: 4 H2O + 3 CO2 <=> C3H8 + 5 O2

  • 실제 논문: https://www.nature.com/articles/s41560-023-01314-8

  • 이쪽 지역 언론은 이걸 크게 다룰 듯함
    주변 승용차의 13% 이상이 휘발유와 LPG, 사실상 대부분 프로판을 함께 쓰는 이중연료 차량이고, 하이브리드에도 LPG를 넣기 때문임
    그런데도 이런 차량의 지하주차장 출입을 허용하는 곳은 여전히 적다는 점이 웃김
    전기요금을 보면 화석연료보다 싸질 가능성이 없어서, 자동차에 빠르게 도입되지는 않을 것 같음

  • 참고로 CO2 → 메탄 변환을 하는 Terraform Industries라는 스타트업이 있음
    https://terraformindustries.com/
    공동창업자에게 이 건에 대한 생각을 물어봤음
    https://twitter.com/ccorcos/status/1694021803654693342

  • “음이온 교환 아이오노머로 코팅된 1-ethyl-3-methylimidazolium 기능화 Mo3P 나노입자”라는데, 이 재료들을 대규모 생산하기가 얼마나 어렵고 비쌀까?
    몰리브덴은 백금만큼 희귀하거나 비싸지 않으니 그건 확실히 장점임

    • 1-ethyl-3-methylimidazolium은 꽤 단순한 분자이고 이미 산업에서 쓰이고 있음
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