신규 발견된 광촉매 물질로 이산화탄소 문제 해결

전 세계 이산화탄소 배출량은 오늘날 우리가 직면한 가장 중대한 과제입니다. 이 배출량은 지난 75년 동안 특히 존재 자체를 위협할 정도로 증가했습니다. 

1950년에 전 세계는 60억 톤의 이산화탄소를 배출했습니다. 1990년까지는 200억 톤이 되었습니다. 현재는 350억 톤이 넘습니다. 미국만 해도 1751년 이후 약 4천억 톤의 이산화탄소를 배출했으며, 이는 지금까지 배출된 전체의 거의 1/4에 해당합니다. 1751년 이후 누적 전 세계 이산화탄소 배출량은 1.5조 톤에 달합니다. 

이산화탄소는 화석 연료 연소, 산불, 화산 폭발 등 다양한 원인에서 발생할 수 있습니다. 이는 열을 가두는 가스이기 때문에 해롭습니다. 이산화탄소와 기타 온실가스는 행성이 우주로 방출할 수 있었던 열을 가두는 담요나 캡 역할을 합니다. 

더 우려스러운 점은 이산화탄소의 열 포획 능력이 거대하여 대기 중 소량의 이산화탄소가 거대한 열을 가둘 수 있다는 것입니다. 우리가 논의한 350억 톤 이상의 배출량은 대기 중 이산화탄소가 단지 대기 중 0.04%에 불과함에도 불구하고 발생한 결과입니다. 

대기 중 이산화탄소 존재가 얼마나 미미한지 설명하면서, 콜롬비아 대학교 램턴-도허티 지구관측소의 기후 과학자 제이슨 스머돈은 다음과 같은 비유를 들었습니다: 

“내 키만 한 사람이 맥주 두 잔을 마시면 혈중 알코올 농도가 약 0.04%가 됩니다.” 

하지만 그는 작은 양의 물질이라도 복구할 수 없는 부정적인 결과를 초래할 수 있음을 상기시켰습니다. 그는 다음과 같이 말했습니다: 

“사람을 중독시키는 데 많은 시안화물(시안화물)만 필요하지 않습니다. 중요한 것은 그 특정 물질이 더 큰 시스템과 어떻게 상호작용하고 그 시스템에 어떤 영향을 미치는가입니다.”

따라서 이산화탄소와 기타 온실가스의 열 포획 특성은 최대한의 긴급함과 진지함으로 다루어야 할 위협입니다. 

기후 및 청정 공기 연합, 유엔환경계획(UNEP)이 주관하는 이 이니셔티브는 가능한 가장 명확한 표현으로 이 긴급성을 인정합니다. 그들은 다음과 같이 말합니다: 

“우리는 지구 온난화를 섭씨 2도 이하로 유지할 시간이 부족합니다.”

Durwood Zaelke 위원회 의장 겸 국제 거버넌스 및 개발 연구소(IGSD) 회장에 따르면: 

“우리는 기후 변화와 같은 빠르게 진행되는 문제를 느리게 움직이는 해결책으로는 해결할 수 없습니다. 속도가 우리의 새로운 지표가 되었습니다—2030년까지 단기 기후 오염 물질(SLCPs)을 감축하고, 2050년까지 청정 에너지와 순배출 제로를 달성하며, 이미 배출된 이산화탄소의 증가하는 비율을 제거하는 속도.”

Zaelke는 목표를 다음과 같이 구체화했습니다:  

“SLCPs를 감축하면 중반까지 온난화를 0.6도 감소시킬 수 있으며, 온난화를 1.5도 이하로 유지하고자 할 때 큰 역할을 할 수 있습니다.”

여기서 SLCPs는 단기 기후 오염 물질을 의미합니다. 이산화탄소 문제 해결은 지금 당장의 필요입니다. 전례 없는 긴급성에 대응하려면 혁신적인 솔루션 없이는 불가능합니다. 다음 섹션에서는 최근 등장한 이러한 혁신적인 방법들을 논의합니다. 

연구원들이 이산화탄소를 지속 가능한 연료로 전환하는 방법을 제시

노팅엄 대학교 화학학부, 버밍엄 대학교, 퀸즐랜드 대학교, 울름 대학교의 대표들로 구성된 국제 연구팀이 새로운 물질을 설계했습니다 이 물질은 새로운 친환경 연료 생산에 있어 중요한 역할을 할 수 있습니다.

재료에 대한 자세한 내용

이 물질은 나노결정 탄소 질소화물에 고정된 구리에서 유도됩니다. 구리 원자는 나노결정 구조 내에 위치하여 전자가 탄소 질소화물에서 이산화탄소로 이동하도록 합니다. 이러한 전자 이동은 태양광 조사 하에서 이산화탄소로부터 메탄올을 생산하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 

이 절차가 성공적으로 규모화된다면, 이산화탄소가 초래하는 위협을 해결하는 가장 중요한 문제 중 하나를 해결하게 될 것입니다. 

지구 온난화의 가장 중요한 원인인 이산화탄소는 유용한 제품으로 전환될 수 있습니다. 그러나 지금까지 이러한 전환 과정은 화석 연료에서 얻은 수소에 의존해 왔습니다. 이번에 처음으로 태양 에너지가 사용됩니다. 

이 연구는 지속 가능한 태양 에너지와 풍부한 물을 효율적으로 활용하는 광촉매 및 전기촉매 기반 대체 방법 개발의 필요성을 입증합니다. 

화학학부 연구원 중 한 명인 Madasamy Thangamuthu 박사에 따르면: 

“광촉매에 사용되는 다양한 물질이 많이 있습니다. 광촉매가 빛을 흡수하고 전하 운반자를 높은 효율로 분리하는 것이 중요합니다. 우리의 접근법에서는 물질을 나노 규모에서 제어합니다. 우리는 빛과의 효율적인 상호작용과 충분한 전하 분리를 가능하게 하는 결정성 나노스케일 도메인을 가진 새로운 형태의 탄소 질소화물을 개발했습니다.”

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프로세스에 대한 자세한 내용

연구에 사용된 가열 공정은 탄소 질소화물이 광촉매 잠재력을 극대화하기 위해 필요한 결정성을 달성하도록 보장했습니다. 또한 이 공정은 용매를 사용하지 않고 구리를 증착하기 위해 마그네트론 스퍼터링을 포함했습니다. 용매가 없음으로써 반도체와 금속 원자 사이의 밀접한 접촉이 가능해졌습니다. 

노팅엄 대학교 화학학부 박사과정 학생 Tara LeMercier에 따르면: 

“구리 없이도 새로운 형태의 탄소 질소화물은 기존 탄소 질소화물보다 44배 더 활발합니다. 그러나 놀랍게도 탄소 질소화물 1g당 구리 1mg만 추가해도 효율이 4배로 증가했습니다. 가장 중요한 점은 선택성이 메탄(또 다른 온실가스)에서 메탄올(가치 있는 친환경 연료)로 바뀌었다는 것입니다.”

전반적으로 이 실험은 지속 가능한 원소만으로 구성된 촉매를 사용했다는 점에서 선구적이었습니다. 화학학부 교수 Andrei Khlobystov에 따르면: 

“이산화탄소 활용은 영국의 순배출 제로 목표 달성의 핵심입니다. 이 중요한 반응을 위해 촉매 물질의 지속 가능성을 보장하는 것이 매우 중요합니다. 새로운 촉매의 큰 장점은 탄소, 질소, 구리와 같이 지구에 풍부한 지속 가능한 원소들로 구성되어 있다는 점입니다.”

전 세계 기업들이 탄소를 친환경 에너지로 전환하기 위해 노력하고 있습니다. 이들 중 일부는 매우 흥미롭고 혁신적이며 효과적인 솔루션을 제공했습니다. 

#1. Climeworks

Climeworks는 대기 중 이산화탄소를 제거하는 직접 공기 포집 및 저장 시설로 알려져 있습니다. 탄소 제거 시설을 운영하는 것 외에도 Climeworks는 다른 기업과 협력하여 전 세계 순배출 제로 전략을 위한 고품질 솔루션 포트폴리오를 확보합니다.

이 회사는 전 세계적으로 활동하며 특정 요구에 맞춘 다양한 솔루션을 제공합니다. 예를 들어 아이슬란드에서는 저장 파트너인 Carbfix와 협력하여 이산화탄소를 깊은 지하로 운송하고, 자연 과정을 통해 현무암과 반응시켜 유해 배출물이 돌로 변환되어 10,000년 이상 안전하게 봉인됩니다.

미국에서는 Climeworks가 에너지부의 지역 DAC 허브 프로그램 하에 세 개의 프로젝트를 발표했습니다. Climeworks가 개발 파트너로 참여한 Project Cypress는 직접 공기 포집 방식을 적용해 대기 중 과잉 이산화탄소를 제거함으로써 장기적으로 허리케인, 가뭄, 홍수와 같은 극심한 기후 현상의 악화를 방지합니다.

스위스 취리히에서는 Climeworks가 탄소 중립 채소 생산을 돕는 시설을 개발했습니다. 직접 공기 포집 설비가 가스를 온실에 주입하여 식물의 광합성을 촉진하고 수확량을 최대 20%까지 증가시킵니다. Climeworks는 연간 약 900톤의 CO2를 대기에서 추출할 것이라고 밝혔습니다.

탄소 제거 센터의 Matt Lucas에 따르면: 

“Climeworks와 같은 공기 중 CO2 포집 기술은 태양광, 풍력, 배터리와 같이 공장 생산된 제품에서 보았던 급격한 가격 하락 가능성을 가지고 있습니다.”

2024년 4월 9일, Climeworks는 Enova(노르웨이 정부 환경부 산하 국영 기업)로부터 2.2백만 스위스 프랑 (2600만 노르웨이 크로나)의 노르웨이 자금을 받았습니다. 

2년 전, Climeworks는 6억 스위스 프랑(6억 5천만 달러)의 주식 투자 라운드를 체결했습니다. 투자자 명단에는 전 세계적으로 잘 알려진 대형 기관 기술 및 인프라 투자자들이 포함되었습니다.

#2. Heirloom Carbon

Heirloom Carbon은 미국에서 최초의 상업용 직접 공기 포집 시설을 구축했습니다. 완전 재생 에너지로 운영되는 이 시설은 대기 중 이산화탄소를 영구적으로 제거합니다. 

이 기술은 석회암과 같은 자연 탄소 흡수원인 암석이 시간이 지나면서 대량의 CO2를 포집하는 탄소 광물화 과정을 활용합니다. 지구상에서 가장 풍부한 암석 중 하나인 석회암은 수년에 걸쳐 대기 중 CO2를 대량으로 포집할 수 있습니다. Heirloom Carbon의 기술은 이 과정을 며칠 안에 가속화합니다.

Heirloom의 기술은 여러 장점을 가지고 있습니다. 이산화탄소를 영구적으로 제거하여 가스가 영원히 안전하게 지하에 저장되도록 합니다. 또한 시설당 평방미터당 50톤의 CO2를 제거할 수 있으며 비경작지에 설치할 수 있어 환경 발자국이 최소화됩니다.

시간이 지나면서 Heirloom은 2035년까지 탄소 제거 크레딧 비용이 톤당 100달러 미만으로 최적의 비용 효율성을 달성할 것이라고 믿습니다. 

2022년 4월, Heirloom은 Mask Foundation과 XPRIZE로부터 100만 달러의 보조금을 받았습니다. 2022년 3월 17일에는 AENU와 기타 다수 투자자로부터 시리즈 A 투자로 5,300만 달러를 모금했습니다. 2021년 6월에는 미국 국립 과학 재단으로부터 255,737달러의 보조금을 받았습니다.

포괄적인 탄소 배출 대응 계획에 집중

이러한 계획은 탄소 배출의 전체 수명 주기를 검토하고 가능한 가장 신중하고 현장 최적화된 효율적인 방법으로 전반에 걸쳐 대응하려는 것입니다. 예를 들어, Climate TRACE는 위성 및 머신러닝을 활용해 전 세계 배출 핫스팟을 식별합니다. 반면 CarbonChain과 같은 기업은 공급망에서 현재 배출량을 프로파일링하고 인공지능을 활용해 감축 방안을 찾음으로써 배출량을 줄이는 데 도움을 줍니다. 에너지 누출을 인식하는 것도 이 포괄적인 계획의 일부입니다.

식별 과정이 완료되면 이산화탄소 문제를 해결할 수 있는 세 가지 방법이 있습니다. 첫 번째는 이산화탄소 배출로 인한 추가 기후 피해를 차단하는 데 초점을 맞춥니다. 두 번째는 에너지 효율성을 높여 화석 연료 의존도를 줄이는 것입니다. 세 번째이자 가장 야심찬 방법은 이미 발생한 피해를 되돌리는 시도입니다.

구체적인 솔루션으로는 다양한 아이디어가 발전해 왔습니다. 과학자들은 대기 중 CO2를 흡수하면서 동시에 재생 가능한 에너지원이 되는 식물이나 해조류 재배를 주장해 왔습니다. 보다 획기적이고 급진적인 실험으로는 태양 에너지를 수집할 수 있는 새로운 고분자 물질이 있습니다. 이러한 고분자는 섬유에 적용되어 옷이 녹색 및 이동형 에너지 원천으로 활용될 수 있습니다.

수년간, 손상 복구 분야에서 많은 매력적인 응용 및 솔루션이 개발되었습니다. 예를 들어, 과학자들은 산업 배출구에서 나오는 CO2를 합성 석회암으로 전환하는 탄소 기반 콘크리트를 연구하고 있습니다. 이와 관련해 콘크리트 생산이 전 세계 CO2 배출량의 4%에서 8%를 차지한다는 점을 기억해야 합니다.

탄소를 섭취하는 작물, 탄소 격리 비료 등 개발을 위한 연구도 진행 중입니다.

이 모든 혁신을 통해 우리는 1990년 수준 대비 2030년까지 55% 이상의 순 감축을 달성하고, 2050년까지 기후 중립 목표를 달성해야 합니다. 화석 연료에서 청정 재생 에너지로 전환하는 분야에서 더 많은 작업이 필요하지만, 전 세계적인 협력은 삼림 벌채 방지, 지속 가능한 토지 이용 및 자연 복원에도 효과적이어야 합니다.

지속적인 노력은 결국 대기 중에 배출되는 온실가스 양을 우리 숲, 해양 및 토양에 저장 및 포집되는 양과 균형 맞추는 데 도움이 될 것입니다.