서강대 박제영 교수 공동연구팀, 바닷속 이산화탄소를 광물로 바꾸는 신소재 개발

해양 생물의 원리 모방한 ‘인공 산호’ 소재… 바닷물 속 CO₂ 직접 포집·광물화

▲ 개발 연구진 (좌측부터) 서강대 박정식 연구원, 박제영 교수, 고려대 오동엽 교수

서강대학교 화공생명공학과 박제영 교수 공동연구팀이 바닷물에 녹아 있는 이산화탄소를 직접 포집해 고체 광물로 바꾸는 새로운 소재를 개발했다. 공기 중 이산화탄소를 포집한 뒤 다시 분리하는 기존 방식과 달리, 바닷물 속 이산화탄소를 바로 광물로 전환하는 방식이다.

박제영 교수 연구팀은 고려대학교 오동엽 교수 연구팀과 공동으로 해양 생물이 껍데기와 골격을 만드는 원리를 모방한 하이드로젤을 개발했다. 하이드로젤은 물을 많이 머금을 수 있는 젤 형태의 소재로, 연구팀은 이를 바닷물 속 이산화탄소를 포집하고 광물로 전환할 수 있도록 설계했다.

▲ 연구팀이 제조한 ‘하이드로젤’ 및 해양 이산화탄소 포집 후 형성된 ‘인공 산호’ 광물의 전자현미경 사진

연구팀이 개발한 하이드로젤을 바닷물에 넣으면 젤 표면에서 주변의 이산화탄소를 포집하고, 바닷물에 있는 칼슘 이온을 끌어모은다. 이 과정에서 이산화탄소는 탄산칼슘 광물인 아라고나이트(Aragonite)로 전환된다. 조개나 산호가 바닷속 물질을 이용해 단단한 껍데기와 골격을 만드는 원리를 소재에 적용한 것으로, 연구팀은 이를 ‘인공 산호’에 비유했다.

이번 기술은 이산화탄소를 포집한 뒤 다시 떼어내는 과정이 필요하지 않다는 점이 특징이다. 기존 대기 중 탄소 포집 기술은 포집한 이산화탄소를 분리하기 위해 60도 이상의 열에너지가 필요한 경우가 있지만, 이번 연구에서는 바닷물 속 이산화탄소를 상온에서 바로 고체 광물로 전환했다.

연구팀은 개발한 하이드로젤의 성능을 확인하기 위해 바닷물 환경에서 이산화탄소 전환 실험을 진행했다. 그 결과 하이드로젤 1g당 2.85mmol의 이산화탄소를 수일 내 고체 광물로 전환하는 성능을 확인했다. 또한 사용한 하이드로젤에 친환경 알칼리 물질을 다시 채워 넣어 반복적으로 사용할 수 있는 가능성도 확인했다.

▲ 해양 이산화탄소 포집 및 광물화 동영상의 스크린샷

연구팀은 바닷물이 가진 특성에도 주목했다. 바다에는 대기보다 훨씬 많은 이산화탄소가 녹아 있어, 이를 직접 포집 대상으로 활용할 경우 기존 대기 중 탄소 포집과 다른 접근이 가능하기 때문이다. 이번 연구는 이러한 바닷물의 특성을 활용해 이산화탄소 포집과 광물화를 하나의 과정으로 연결하는 방법을 제시했다.

이번 연구의 가장 큰 의미는 탄소를 포집하기 위해 많은 에너지를 사용하는 기존 방식에서 벗어나, 자연의 원리를 활용해 바닷속 이산화탄소를 직접 안정적인 고체 형태로 전환하는 새로운 가능성을 제시했다는 데 있다. 특히 소재를 반복해서 사용할 수 있는 기술이 실제 공정으로 발전한다면, 탄소 포집에 필요한 에너지와 비용을 줄이면서 탄소를 실질적으로 제거하는 기술로 이어질 수 있을 것으로 기대된다.

박제영 교수는 “바닷물 속에 녹아 있는 이산화탄소를 직접 광물로 바꾸는 이번 기술은 막대한 열에너지가 필요했던 기존 대기 중 탄소 포집 기술의 한계를 극복한 것”이라며 “자연에서 배운 친환경적인 방법으로 이산화탄소를 유용한 자원으로 바꿀 수 있는 실질적인 해결책이 될 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

▲ 해양 이산화탄소 포집 및 광물화 과정을 묘사하는 표지 논문 그림

이번 연구는 과학기술정보통신부의 ‘C1 가스 리파이너리 밸류업 사업’ 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료화학 분야 국제 학술지 Journal of Materials Chemistry A에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 전면 표지 논문(Outside Front Cover)으로 선정됐다. 연구에는 서강대학교 화화공생명공학과 박정식 연구원과 박제영 교수가 참여했으며, 고려대학교 오동엽 교수 연구팀과 공동으로 수행했다.

▶논문제목: ‘Paradigm-shifting carbon capture with high efficiency and net-negativity through bio-inspired oceanic mineralization’

(제1저자: 박정식 연구원; 공동교신저자: 오동엽, 박제영 교수)

▶논문링크: https://doi.org/10.1039/d6ta03540j

▶연구실 홈페이지: https://sites.google.com/view/jyp-plastic-research/