지속가능성
순환 배출 – 이산화탄소에서 메탄 만들기
과학자들이 이산화탄소에서 메탄을 만들 수 있게 하는 새로운 공정은 시장을 혁신시킬 수 있으며, 제조업체가 폐쇄 루프 탄소 시스템을 구축하도록 허용합니다. 이 공정은 전기화학과 고급 수학 모델을 사용하여 포집된 CO2를 직접 유용한 메탄으로 전환합니다. 알아야 할 내용은 다음과 같습니다.
탄소 포집 시스템
탄소를 포집하는 개념은 지난 5년 동안 더욱 대중화되었습니다. 이러한 시스템은 대기 중의 CO2를 제거하고 저장합니다. 엔지니어들은 이 작업을 수행하기 위해 다양한 방법을 사용했습니다. 대부분은 화학 반응을 이용해 CO2를 다른 가스와 분리한 뒤, 가치가 있는 다른 화학 물질로 전환합니다.
이러한 개념은 성공을 입증했지만 아직 초기 단계에 머물러 있으며 대부분 비용이 많이 들고 확장성이 부족합니다. 이 기술이 진정한 영향을 미치려면 산업 수준으로 규모를 확대하여 커뮤니티에 최상의 결과를 제공해야 합니다.
다단계 공정
오늘날 가장 일반적인 탄소 포집 방식의 또 다른 큰 단점은 여러 단계가 필요할 수 있다는 점입니다. 각 단계는 시간이 걸리고 매우 구체적인 공정을 요구합니다. 대부분의 경우, 첫 번째 단계는 CO2를 포집하고 수집하는 것입니다. 그 후 각 시스템은 전환을 완료하기 위해 자체 공정을 수행합니다. 각 화학 반응은 시간, 복잡성 및 전체 비용을 증가시킵니다.
위험한 화학 물질
오늘날 시장에서 가장 많이 사용되는 탄소 포집 옵션 중 다수는 화학 반응에 의존합니다. 이러한 시스템은 이점을 약간 상쇄하는 유해한 부산물을 발생시킵니다. 위험한 화학 물질은 특정 방식으로 저장, 운송 및 폐기해야 하며, 이는 포집된 탄소 파운드당 전체 비용을 증가시킵니다.
순환 배출 연구
A recent study published in the Journal of the American Chemical Society titled “Integrated Carbon Dioxide Capture by Amines and Conversion to Methane on Single-Atom Nickel Catalysts”1 delves into a new methodology that reduces energy requirements and could be self-powered. The study explains a method that converts CO2 into methane safely.
출처 – 미국화학학회지
이 개발은 메탄 연소 시 주요 부산물 중 하나인 이산화탄소와 관련된 중요한 이정표입니다. 과학자들은 오랫동안 폐쇄 탄소 루프를 만들고자 노력해 왔습니다. 이 용어는 부산물을 활용하여 운영을 지속할 수 있는 시스템을 의미합니다. 구체적으로, 논문은 그들이 카바메이트를 메탄으로 성공적으로 전환한 과정을 상세히 설명합니다.
논문에서는 아민 스크러빙 용액을 사용해 CO2를 포집했습니다. 그 후 카바메이트를 니켈 기반 촉매에 투입했으며, 이 촉매는 고급 수학 모델을 기반으로 특정 패턴으로 배치된 니켈 원자를 포함하고 있습니다.
순환 배출 테스트
전환이 완료되었는지 테스트하기 위해 엔지니어들은 X선 광전자 분광법(XPS) 및 전자 현미경(EM) 등 다양한 고급 연구 도구를 사용했습니다. 이러한 장비들은 전환이 성공적으로 완료되었으며 CO2가 메탄으로 변환되었음을 밝혔습니다.
엔지니어들은 접근 방식의 일환으로 밀도 범함수 이론(DFT) 계산을 활용했습니다. 이러한 모델은 최적의 전자 배치와 분포를 매핑하여 예측을 개선하도록 도와줍니다. 또한, 엔지니어들은 계산 수소 전극(CHE) 모델을 통합해 반응 자유 에너지를 계산했습니다. 이는 각 반응에 포함된 정확한 양성자-결합 전자 전달 단계를 결정하는 데에도 중요한 역할을 했습니다.
순환 배출 결과
결과는 금(Au) 위에 분산된 단일 원자 니켈(Ni)이 주요 생성물인 CH4를 생성함을 보여주었습니다. 팀이 CO2를 메탄으로 전환하고 공정의 각 단계를 추적하는 데 성공했음을 나타냈습니다. 이제 목표는 효율성을 향상시켜 각 폐쇄 루프의 에너지 생산을 극대화하는 것입니다.
순환 배출 혜택
이 연구는 시장에 여러 가지 혜택을 제공합니다. 첫째, 새로운 방법은 카바메이트를 유용한 제품인 메탄으로 포집 및 전환하는 과정을 간소화합니다. 이 공정은 빠르고 유해하거나 쓸모없는 부산물을 생성하지 않습니다. 또한, 대량의 전기가 필요하지 않습니다.
낮은 에너지
연구자들에 따르면, 이 새로운 방법은 탄소 포집 및 전환을 원하는 사람들에게 가능한 가장 낮은 에너지 요구량을 제공합니다. 전기화학 반응은 효율적이며 대안보다 비용이 적게 들고 현장에서 수행할 수 있습니다.
단일 단계 공정
이 새로운 탄소 포집 및 전환 방법의 또 다른 장점은 모든 단계를 하나의 공정으로 결합한다는 점입니다. 독특하게도 탄소가 한 단계에서 포집되고 전환됩니다. 이 접근 방식은 복잡성을 감소시키고 안정성을 향상시키며 훨씬 더 높은 투명성을 제공합니다.
연구원
Tomaz Neves-Garcia는 오하이오 주립대학에서 수행된 연구를 이끌었습니다. 또한, Yale University의 Quansong Zhu, Robert Baker, Liane M. Rossi, Mahmudul Hasan, Robert E. Warburton, Jing Li, Hailiang Wang이 공동 저자로 등재되었습니다. 이제 팀은 산업 부문에 서비스를 제공하기 위해 공정을 확대하려고 합니다.
순환 배출 연구로 혜택을 받을 수 있는 기업
여러 기업이 이 연구를 비즈니스 모델에 통합하면 수익성을 향상시킬 수 있습니다. 이들 기업은 이미 탄소 포집 또는 천연 가스 생태계에서 활동하고 있으며, 이 시장을 지원하기 위해 독특한 제품을 만들기에 많은 에너지와 노력을 투자했습니다.
Air Products and Chemicals, Inc. (APD)
Air Products and Chemicals Inc (APD )는 1940년 미시간 주 디트로이트에서 Leonard Parker Pool이라는 현지 기업가에 의해 설립되었습니다. 당시 회사는 제2차 세계대전 중 사용되는 소형 발전기 제조에 집중했습니다. 전쟁이 끝난 후, 회사는 제품 및 서비스 범위를 확대하기로 약속했습니다.
지난 80년 동안 Air Products and Chemicals Inc.는 전 세계적으로 인정받는 가스 공급업체가 되었습니다. 이 회사는 미국 및 국제 시장에서 활발한 역사를 가지고 있습니다. 서비스와 대기업 고객에 대한 집중은 회사가 막대한 수익을 확보하고 사업을 확장하는 데 도움이 되었습니다.
(APD )
Air Products and Chemicals Inc.는 메탄 가스를 찾는 제조업체들에게 가장 인기 있는 옵션 중 하나가 되는 과정에서 수많은 찬사를 받았습니다. 2008년에는 다우존스 지속가능성 북미 지수에 최고 실적 주식으로 등재되었습니다.
오늘날 APD는 공정 혁신, 스마트 비즈니스 관리, 메탄 사용 증가 등 여러 요인으로 인해 연간 강력한 상승세를 보이고 있습니다. APD가 이 기술을 비즈니스 모델에 통합한다면 제조 비용을 크게 절감할 수 있을 것입니다. 현재 APD의 시가총액은 739억 6100만 달러이며 연간 긍정적인 상승을 보이고 있습니다.
Delta CleanTech Inc. (OTC)
캐나다에 기반을 둔 화학 영향 감소 기업인 Delta CleanTech Inc.는 기존 탄소 포집 기술을 개선하기 위해 시장에 진입했습니다. 이 회사는 독특한 기능과 서비스로 빠르게 주목받았습니다. 기업들은 Delta CleanTech의 전문성을 활용해 CO2 및 기타 유해 배출을 감소시킬 수 있습니다.
이 회사는 현재 여러 영향력 있는 제품을 제공하고 있습니다. 예를 들어, Delta Reclaimer는 기업이 용매를 정제할 수 있게 해줍니다. 또한, 현재 MethanatorRX라는 제품을 제공하며, 이는 메탄을 안전하게 무해한 제품으로 분해합니다. 또한, CarbonRX 서비스를 통해 기업이 탄소 크레딧 활용을 극대화할 수 있습니다.
알아두면 좋은 기타 탄소 포집 시스템
다행히도, 순환 배출 연구를 수행한 오하이오 주립대 연구진은 CO2 감소를 통해 환경을 구하려는 노력에서 혼자가 아닙니다. 앞으로 CO2 배출을 크게 줄일 잠재력을 가진 흥미로운 다른 방법들을 소개합니다.
Electrochemical Reactor
RICE University가 이끄는 엔지니어 팀은 세계 최초의 실온 직접 공기 포집 장치를 소개했습니다. 이 반응기는 부산물 없이 공기 중 탄소를 직접 포집할 수 있습니다. OSU 팀과 마찬가지로, 그들의 전기화학 공정은 나트륨 및 칼륨 수산화물과 같은 아민 기반 흡착제를 사용하지 않습니다.
흥미롭게도, 이 공정의 부산물은 수소로 밝혀졌으며, 이는 동일한 공정을 구동할 수 있는 매우 유용한 화학 물질입니다. 또한, 열 및 추가 화학 물질을 제거함으로써 이 접근 방식의 지속 가능성이 향상되고 보편적으로 적용될 수 있게 됩니다.
미래
탄소 포집 기술의 미래는 밝습니다. 이 시스템들은 오염 방지 전쟁에서 주목받고 있습니다. 팀의 독특한 접근 방식과 CO2에서 메탄을 생성하는 능력은 여러 측면에서 혁신적입니다. 첫째, 이는 과학자들이 폐쇄 루프 시스템의 장점과 단점을 더 잘 이해하고 성능 향상을 위해 이러한 영역을 개선하는 방법을 파악하는 데 도움이 됩니다.
순환 배출 결론
이 연구를 수행한 OSU 팀에게 찬사를 보내야 합니다. 과학자들은 모두에게 유익할 수 있는 방식으로 탄소 루프를 닫는 것을 꿈꿔 왔습니다. 이제 오염 물질이 전력으로 재활용될 수 있으며, 배출 사이클이 시작됩니다. 따라서 열 감소 정책 및 캠페인과 함께 CO2 포집에 더 많은 관심이 집중될 것으로 기대됩니다.
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연구 참고:
1. Neves-Garcia, T., Hasan, M., Zhu, Q., Li, J., Jiang, Z., Liang, Y., Wang, H., Rossi, L. M., Warburton, R. E., & Baker, L. R. (2024). 아민을 이용한 통합 이산화탄소 포집 및 단일 원자 니켈 촉매에서 메탄 전환. Journal of the American Chemical Society, 146(46), 31633–31646. https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744
