펠렛형 흡착제로 대기 중 0.04% CO2만 포집해

 
지구온난화 주범 이산화탄소(CO2)는 영하 10도에서도 공기 중에 흩어져 있다. 탄소중립을 실현하려면 공장 등 고농도 배출원은 물론, 이미 대기 중에 퍼진 CO2도 제거해야 한다. 대기 중 CO2 농도는 약 0.04%(400ppm)에 불과하다. 미량의 CO2만 강하게 붙잡으면서도 재생(흡착제를 새것처럼 비워내는 동작·단계) 시 적은 에너지가 들고, 반복 사용하더라도 성능을 유지하는 흡착제가 필요하다. 

고려대 강용태 기계공학부 교수 연구팀은 지난 7월, 공기 중에 약 0.04%밖에 없는 이산화탄소(CO2)를 직접 포집할 수 있는 펠렛형 흡착제를 개발했다. 

연구팀은 실리카 나노입자에 탄소나노튜브(CNT)와 아민을 결합한 펠렛 흡착제를 개발했다. 여기서 아민은 CO2를 선택적으로 포집하고, 탄소나노튜브는 뼈대처럼 펠렛의 구조를 강화하면서 열과 CO2의 이동을 돕는다. 탄소나노튜브와 실리카 나노입자가 스스로 얽혀 지지 구조를 형성하는 자가조립 특성 덕분에, 별도의 접착제 없이 펠렛 형태로 구조화할 수 있어 제조 공정을 단순화하고 대량생산 가능성을 높였다.

영하 10도부터 영상 20도까지 다양한 온도와 습도 조건에서 펠렛의 성능을 검증한 결과, 반복적인 CO2 흡착·재생 과정에서도 형태와 성능이 안정적으로 유지됐다. 특히 펠렛 재생 뒤에도 포집 성능이 그대로 회복돼 장기 사용 가능성도 확인했다. 

이번 연구는 흡착 소재 개발에 머물지 않고 펠렛 구조화, 실제 환경조건에서의 성능 검증, 환경 변화에 따른 성능 예측 모델 개발, 시스템 에너지 평가까지 연결했다는 데 의미가 있다. 연구 결과는 지역과 계절에 따른 운전조건을 설정하고, 직접공기포집 장치의 소재와 공정을 함께 최적화하는 데 활용될 것으로 기대된다.

연구팀은 향후 CO2 탈착온도를 낮추고 열 회수 기술을 적용해 재생에 필요한 에너지를 줄일 계획이다. 또 빛을 열로 변환하는 광열전환 기술을 활용해 재생열을 공급함으로써 외부 에너지 투입을 최소화하는 방안도 모색한다. 아울러 장기간 반복 운전과 실제 야외 조건에서의 실증을 통해 기술의 안정성과 현장 적용 가능성을 높여나갈 예정이다.

강용태 교수는 “이번 연구는 성능이 좋은 가루 소재를 만드는 데서 한 걸음 더 나아가, 실제 장치에 적용할 수 있는 형태로 만들고 저온·습도 환경에서 운전한 뒤 에너지 사용까지 연결해 평가했다는 데 의미가 있다”며 “앞으로 재생에 필요한 열을 줄이고 장기 실증을 확대해 다양한 기후에서 활용 가능한 직접공기포집 기술로 발전시키겠다”라고 말했다.

이번 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP)과 기후에너지환경부(MCEE)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 8월에 발간된 응용화학 분야 국제 학술지인 ‘Journal of Energy Chemistry(IF=15.6, Top 1.9%)’ 119권에 논문명 'Engineering self-assembled pellet adsorbents for energy-efficient sub-ambient direct air capture'로 수록됐다.

한편 강용태 교수 연구팀은 ‘에너지물질순환연구실(EMCL)’을 중심으로 히트펌프, 냉동공조, CO₂ 포집 및 흡수제, 플러스에너지빌딩(PEB) 기술 등 탄소중립 핵심 분야를 연구하고 있다. 2021년 실내 CO₂ 포집용 흡착제를 개발해 대한민국 10대 기계기술에 선정됐으며, 2023년 태양광 패널 온도 15℃ 저감 기술을 'Nature Communications'에 게재한 바 있다. 2025년엔 기존 냉동기 대비 효율을 3배로 향상시킨 액상 쌍극자 칼로릭 냉각 사이클 연구를 'Science'에 게재했다.