CO2를 연료로? 촉매 발견이 배출을 기회로 전환

메탄올은 플라스틱과 연료를 포함한 다양한 화학 제품의 핵심 출발 물질입니다. 이는 종종 “다양한 화학 물질 및 재료 생산을 위한 범용 전구체”, 즉 “화학의 스위스 군용 나이프”라고 하버드 피에르-라미레즈(Javier Pérez‑Ramírez) ETH 취리히 촉매공학 교수의 언급대로 설명됩니다.

이 액체는 화학 제품 및 연료의 지속 가능한 생산 전환에 핵심적인 역할을 하지만, 수소 생산과 촉매 작동에 사용되는 에너지가 지속 가능하게 생성될 때만 가능합니다. 이러한 경우 메탄올은 궁극적으로 기후 중립적인 방식으로 생산될 수 있어 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 친환경적으로 활용하는 방법을 제공합니다.

하지만 기존 메탄올 생산은 대부분 화석 연료에서 파생되기 때문에 온실가스(GHG) 배출이 크게 발생하는 비 지속 가능한 방식입니다.

이제는 상황이 달라질 수 있습니다. ETH 취리히 과학자들이 이제 화석 없는 화학 산업의 기반이 될 수 있는 메탄올 합성 방법을 개발했기 때문입니다. 네이처(Nature)에 발표된 연구¹는 개별 금속 원자를 촉매로 사용해 수소와 이산화탄소로부터 액체 알코올을 생산하는 방법을 상세히 설명합니다.

과학자들이 촉매를 이용해 화학 반응 효율을 높이는 방법을 지속적으로 탐구함에 따라, ETH 취리히 연구진이 제시한 새로운 방법은 희귀하고 비싼 금속의 보다 경제적인 활용을 가능하게 할 수도 있습니다.

By placing isolated indium atoms on a support material, the researchers have developed a catalyst that can convert CO₂ and H₂ into methanol far more efficiently.

탄소 불균형이 도전과 기회를 만든다

이산화탄소(CO₂)는 무색·무취·무독성 가스로, 지구의 자연 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 식물은 광합성 과정에서 CO₂를 사용해 에너지 풍부한 화합물을 만들고 산소를 부산물로 방출합니다. 이 과정은 인간 생존에 필수적입니다. CO₂는 또한 대기, 지표면, 생물 사이를 지속적으로 이동하는 전 지구 탄소 순환에도 참여합니다.

그 자연적 중요성에도 불구하고, CO₂는 중요한 온실가스로 작용합니다. 햇빛으로부터 받은 열을 대기에 가두어 온난 효과를 일으키며, 이는 생명체가 살아가기 적합한 온도를 유지하도록 합니다. 온실가스가 전혀 없었다면 지구는 인간이 거주하기엔 너무 추웠을 것입니다. 그러나 농도가 상승하면 이 온난 효과가 강화되어 지구 온난화와 기후 변화를 촉진합니다.

탄소는 암석, 퇴적물, 대기, 생물 등 여러 저장소를 통해 지속적으로 순환합니다. 호흡, 유기체 부패, 화산 폭발, 화재 등을 통해 다시 대기로 방출됩니다. 그러나 현재 인간 활동이 이 균형을 장악하고 있습니다. 19세기 초 산업화가 시작된 이후, 토지 개발과 화석 연료 연소는 자연 흡수 능력을 훨씬 초과하는 탄소 배출을 초래했습니다. 그 결과 대기 중 CO₂ 농도는 급격히 상승하고 가속화되고 있습니다.

2025년 화석 연료와 산업에서 발생한 전 세계 CO₂ 배출량은 38.11 억 톤(GtCO₂)에 달했으며, 1990년 대비 69 % 이상 증가했습니다(출처: Statista). 중국은 이러한 전 세계 GHG 배출의 최대 기여국이며, 그 뒤를 미국이 잇습니다.

최근 수십 년간 산업화와 급속한 경제 성장으로 아시아 국가의 CO₂ 배출량은 거의 450 % 증가했으며, 반면 미국은 6.1 % 감소했지만 여전히 역사상 가장 큰 탄소 오염국으로 남아 있습니다.

미국‑이스라엘의 이란 전쟁은 첫 2주 동안 약 5 백만 톤의 온실가스 배출을 발생시켰습니다. 전 세계 CO₂ 배출량이 계속 증가하는 가운데, 육지와 해양 탄소 흡수원은 지난 10년간 약 15 % 약화되었습니다(출처: Global Carbon Project). 다만, 육지 탄소 흡수원은 몇 년간 비정상적으로 약했음에도 불구하고 엘니뇨 이전 수준으로 회복되고 있습니다.

한편, Nature²에 발표된 연구에 따르면, 탄소 흡수원의 감소는 1960년 이후 대기 CO₂ 농도 상승에 약 8 % 기여했습니다. 이산화탄소 흡수는 또한 해양 pH를 0.1 단위 낮춰 산성을 30 % 증가시켰습니다.

따라서 인간 활동이 자연 과정보다 더 많은 CO₂를 대기로 방출함에 따라 대기 중 이산화탄소 양은 계속 증가하고 사상 최고치를 경신하고 있습니다. 이는 CO₂ 배출 문제를 신속히 해결해야 할 긴급성을 나타냅니다.

이 심각한 문제를 해결하는 한 가지 방법은 재생 에너지 전환입니다. 태양광, 풍력, 수력, 지열, 바이오매스 등은 유망한 해결책이지만, 높은 초기 자본 비용, 인프라 필요성, 기술적 난관으로 인해 전환은 느리고 장기적인 과정입니다.

다른 방안으로는 지속 가능한 교통 수단 도입, 에너지 효율 향상, 재조림 및 토지 관리 등을 통한 기존 탄소 제거가 있습니다.

이러한 해결책들은 모두 유망하지만, 만약 우리가 환경에서 직접 이산화탄소를 포집하고 이를 원료로 활용한다면 어떨까요? 이 주요 온실가스를 연료로 전환한다면 어떨까요? 이는 기후와 에너지 기술에 획기적인 진전이 될 것이며, 지구 온난화를 최소화함과 동시에 세계적인 에너지 수요를 충족시킬 수 있습니다.

여러 연구가 CO₂를 연료로 전환하는 방법을 탐구하고 있습니다. 이 과정은 연소 시 배출되는 CO₂ 양이 동일하기 때문에 탄소 중립적이며, 탄소 포집과 재생 에너지를 이용해 메탄올, 디젤, 휘발유와 같은 탄화수소 연료로 전환합니다.

메탄올은 기존 인프라와의 호환성 및 산업 전반에 걸친 다용도성 덕분에 CO₂ 활용을 위한 가장 실용적이고 확장 가능한 경로 중 하나로 부각됩니다.

메탄올(CH₃OH)은 무색·인화성·고독성 알코올로, 산업적 사용 시와 미생물·식물·화산 가스에서 자연적으로 방출됩니다. 섭취하거나 흡수될 경우 실명, 장기 부전, 사망 등 심각한 건강 위험을 초래합니다.

이 액체 화합물은 부동액, 산업용 용제, 플라스틱, 페인트, 폼, 수지, 의약품 및 연료의 화학 원료로 사용됩니다. 또한 재생 전기를 저장하는 에너지 운반체, 기존 연료의 첨가제, 대체 액체 연료로도 활용됩니다. “청정” 에너지 자원으로서 메탄올은 버스, 자동차, 트럭, 선박, 보일러, 연료전지 등에 사용되며, 디메틸 에터(DME)와 같은 다른 재생 연료 생산에도 쓰입니다.

그럼에도 불구하고 CO₂로부터 메탄올 생산을 확대하려면 높은 에너지 요구량, 수소 가용성, 비용 효율적인 촉매 필요성 등 여러 과제가 남아 있습니다. 그러나 지속적인 연구가 이러한 분야에서 빠르게 진전하고 있습니다.

빛이 이산화탄소를 재활용하는 방법을 보려면 여기를 클릭하십시오.

단일 원자 혁신이 CO₂ 전환 효율을 높이다

In order to produce methanol from carbon dioxide and hydrogen, researchers from ETH Zurich have made an advance in catalyst research.

Catalysts have been in use since ancient times. For instance, the yeast used to make bread contains natural catalysts (enzymes) that help convert flour into bread. Over time, advances in catalysts have led to biodegradable plastics, new pharmaceuticals, and environmentally safer fuels.

촉매는 반응을 더 쉽고 효율적으로 만들도록 돕는 물질입니다. 이러한 “반응 보조제”는 화학 반응을 가속하거나 시작에 필요한 압력·온도를 낮추지만, 반응 자체에서는 소모되지 않습니다.

화학 반응은 분자 내 원자 결합을 재배열해야 하므로 시작 에너지가 필요합니다. 이 에너지 장벽은 성냥을 켜는 정도부터 산업 공정에서 수십 배에 이르는 높은 수준까지 다양합니다. 촉매는 이 장벽을 낮추어 비용을 절감하는데, 가장 효과적인 촉매는 종종 희귀하고 비싼 금속을 포함합니다.

ETH 취리히 화학자들의 돌파구는 CO₂와 수소로부터 메탄올을 생산하는 데 필요한 최소 에너지를 크게 낮추는 촉매 개발로 이어졌습니다. 연구진은 인듐을 극도로 효율적으로 활용하여 각 인듐 원자가 자체 활성 부위로 작용하도록 했습니다.

과거의 시행착오식 촉매 연구와 달리, 새롭게 발견된 촉매는 표면에서 일어나는 반응을 보다 정밀하게 분석하고 이해할 수 있게 해, 보다 최적화되고 합리적인 촉매 설계의 길을 열어줍니다.

– Pérez‑Ramírez, National Centre of Competence in Research (NCCR) Catalysis 이사

While the newly discovered catalyst is single-atom, traditional catalysts contain metals as aggregates. These particles are very small, but they usually contain hundreds to thousands of metal atoms. Many of these atoms do not even have any direct involvement in the reaction. But if these atoms can work at the individual level, they can be far more efficient as scientists can make better use of scarce and expensive chemical elements, thus allowing for economically viable use of precious metals.

또한, 고립된 원자의 촉매 특성은 집합체와 다릅니다.

“인듐은 이미 10년 넘게 이 촉매에 사용되어 왔습니다.”라고 Pérez‑Ramírez는 말합니다. 그는 CO₂ 기반 메탄올 생산을 위한 더 나은 촉매 개발에 10년 반 이상 매진해 왔으며, 해당 분야에서 여러 특허를 보유하고 있습니다. “우리 연구에서는 하프늄 산화물 위에 고립된 인듐 원자가 다수의 원자를 포함한 나노입자 형태의 인듐보다 CO₂ 기반 메탄올 합성을 더 효율적으로 수행한다는 것을 보여줍니다.”

인듐(In)은 은백색 금속으로, 주로 아연 채굴 과정에서 부수적으로 생산됩니다. 중국이 전 세계 인듐 생산량의 40 %를 차지하며 대부분의 매장량을 통제하고 있습니다. 이 금속은 인듐 주석 산화물(ITO) 필름, 합금, 태양광 전지, 솔더, 평판 디스플레이, LED, 열 인터페이스 재료, 배터리 등에 널리 사용됩니다.

하프늄 산화물 표면에 단일 인듐 원자를 정확히 배치하기 위해 연구팀은 여러 새로운 합성 경로를 개발했습니다. 이 작업은 다른 연구기관과 협력해 진행됐으며, 원자를 안정적이면서도 반응성 있게 유지할 수 있는 지지체 설계가 핵심이었습니다.

한 경로는 시작 물질을 2,000~3,000 °C의 화염에서 연소시킨 뒤 급속히 냉각하는 방식이었습니다. 이 과정은 인듐을 표면에 고정시키고 견고히 결합하도록 합니다.

열에 강한 하프늄 산화물에 촉매 원자를 삽입한 결과, 단일 원자 촉매가 고온·고압 등 극한 조건을 견딜 수 있음을 입증했습니다. 이는 CO₂와 수소 가스로부터 메탄올을 합성할 때 300 °C 이상의 온도와 대기압의 약 50배에 달하는 압력이 필요하기 때문에 중요한 내구성입니다.

“플레임 스프레이 파이롤리시스로 합성된 나노구조 인듐‑하프늄 산화물은 인듐‑지르코늄 산화물에 비해 인듐 특이 메탄올 생산성이 최대 70 % 높으며, 특히 단일 인듐 원자에서 가장 큰 향상을 보였습니다.”라고 연구는 밝혔습니다.

Another benefit of isolated-atom catalysts is that scientists can analyze reaction mechanisms with far fewer interfering signals, thus providing clearer insights. Existing catalysts made of nanoparticles have been rather difficult to study. They have essentially been a black box. While reactions only occur at a small number of atoms on the surface, many measurement signals come from atoms inside the particles that weren’t involved in the reaction, making it harder to interpret what’s happening.

“메탄올 촉매 개발과 메커니즘 상세 분석은 이와 같은 학제간 전문성 없이는 불가능했을 것입니다.”

– Pérez‑Ramírez

탄소 재활용에 투자하기

Celanese Corporation (CE )은 엔지니어링 폴리머를 생산하는 글로벌 화학·특수 소재 기업이며, 주요 사업 부문은 엔지니어링 소재와 아세틸 체인입니다.

특히 이 기업은 CO₂를 메탄올로 전환하는 데 직접 관여하고 있습니다. 일본 미쓰이·앤드·코(Mitsui & Co.)와의 합작 투자인 Fairway Methanol을 통해 연간 약 180,000톤의 CO₂를 포집하고 130,000톤의 저탄소 메탄올을 생산할 계획입니다.

최근 Celanese는 프랑크푸르트와 텍사스 생산 현장에서 Hostaform 및 Celcon POM ECO‑C 등급에 대해 탄소 발자국 인증(CFC)을 획득했습니다. 이는 화석 기반 투입을 줄이면서도 소재 성능에 부정적 영향을 주지 않는 탄소 포집·활용(CCU) 기술에 대한 투자 결과입니다.

시가총액 70억 달러에 달하는 Celanese 주식은 현재 $62.47에 거래되고 있으며, 연초 2024년 $170 수준을 넘어선 후 지난해 말 $35 수준까지 하락했다가 최근 다시 상승세를 보이고 있습니다.

EPS(TTM)는 -10.40이며 P/E(TTM)는 -6.02입니다. Celanese는 0.19 %의 배당 수익률을 제공합니다.

2025 회계연도 전체 매출은 $95억으로 7 % 감소했으며, 이는 가격·볼륨 모두 4 % 하락했기 때문입니다. 영업 손실은 $7.86 억이며, GAAP 기준 희석 주당 손실은 $10.44, 조정 주당 순이익은 $3.98였습니다.

Celanese는 페인트·코팅·자동차·건설 등 핵심 최종 시장에서 수요 감소를 겪었지만, 현금 흐름 확대, 비용 개선, 부채 감축, 매출 성장 촉진에 집중하고 있습니다.

“우리의 연간 실적은 도전적인 환경 속에서도 행동 계획과 체계적인 실행의 강점을 보여줍니다.”

– CEO Scott Richardson

2025년 Celanese는 영업 현금 흐름 $11 억, 자유 현금 흐름 $7.73 억을 기록했습니다.

이러한 현금 흐름 창출은 $1.2 억 이상의 비용 절감, Micromax 사업부 매각 완료, 단기 부채 재융자, 성장 촉진 및 EM 파이프라인 강화 프로그램 도입과 맞물려 “부채 감축, 비용 개선, 매출 성장이라는 우리의 우선 순위에 상당한 진전을 이뤘다”고 Richardson은 말했습니다. 최근 분기에서는 순매출 $22 억, 영업 이익 $9.3 억, 조정 주당 순이익 $0.67을 보고했습니다.

현재 분기에 대해서는 수요 변동이 크지 않을 것으로 예상하지만, 계절적 물량 증가가 있을 것으로 보여 1분기 조정 주당 순이익은 $0.70~$0.85 사이가 될 것으로 전망됩니다.

“우리는 $6.5~$7.5 억의 목표 자유 현금 흐름을 달성하며 또 한 해의 강력한 현금 창출을 기대합니다. 거시 환경이 불확실하더라도 우리는 전진 모멘텀을 만들었습니다. 우리는 취해온 결정적 조치가 Celanese를 궁극적인 회복에서 실질적인 이익을 얻을 수 있게 할 것이라 믿습니다.”

– Richardson

최신 Celanese Corporation (CE) 주식 뉴스 및 개발

결론

이산화탄소를 연료로 전환하는 것은 기후 문제를 경제적 자산으로 바꾸는 중요한 기회를 제공합니다. 단일 원자 촉매와 같은 혁신이 효율성을 크게 향상시키면서 CO₂로부터 메탄올을 생산하는 경로는 그 어느 때보다 실현 가능해지고 있습니다. 그러나 이 솔루션을 대규모로 적용하려면 풍부한 재생 에너지, 비용 효율적인 수소 생산, 그리고 지원 정책 프레임워크가 필요합니다. 모든 요소가 맞물릴 때 CO₂는 세계 최대 환경 과제 중 하나에서 가장 중요한 자원 중 하나로 전환될 잠재력을 갖게 됩니다.

References

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2. Friedlingstein, P., Le Quéré, C., O’Sullivan, M., Hauck, J., Landschützer, P., Luijkx, I.T., Li, H., van der Woude, A., Schwingshackl, C., Pongratz, J., Regnier, P., Andrew, R.M., Bakker, D.C.E., Canadell, J.G., Ciais, P., Gasser, T., Jones, M.W., Lan, X., Morgan, E., Olsen, A., Peters, G.P., Peters, W., Sitch, S. & Tian, H. Emerging climate impact on carbon sinks in a consolidated carbon budget. Nature 649, 98–103 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09802-5