화학공학소재연구정보센터
  • 인공 광합성 염석등록일 : 2015/12/04
  • 미국 화학 공학자들은 이산화탄소를 거의 순수한 액체 에탄올 연료로 전환시키기 위해 새로운 형태의 인공 광합성 시스템에 대한 개념을 제출했다. 이는 포화된 염 전해질을 이용하며 그들의 계산에 따르면 이 시스템은 평방킬로미터 당 년간 15.27 백만 갤론의 에탄올을 발생시킬 수 있을 것으로 추정하고 있다.

    에탄올은 에너지 입력 당 높은 에너지 밀도와 시장 가치로 인해 매력적인 액체 연료이다. 일반적으로 에텐을 수화시켜 제조되거나 다양한 농업 부산물들에서 기원된 설탕을 발효시켜 생산된다.

    또한 에탄올은 세계 온난화를 온화시키면서 미래 에너지 요구를 지원하는데 잠재력을 가져 매력적인 광전기화학 전지 내에서 이산화탄소로 만들어질 수 있다. 그러나, 수 많은 문제들이 실용적인 응용을 막고 있다. 여기에는 선택성(순수 에탄올과 반대인 수산화탄소들의 발생), 멤브레인 연료-교차 손실 (전지의 잘못된 쪽으로 스며들고 원하지 않는 쪽 부산물로 전환되는 에탄올)과 수용성 전해질 내에서 높은 용해도로 인해 에탄올을 정화하는 높은 비용 등이 포함된다.

    엘렉시스 벨과 미네쉬 신은 버클리 소재 캘리포니아 대학 이종 촉매 전문가들이다. 그들은 탈염으로 불리는 효과를 통해 전해질 내 에탄올의 용해도를 줄이는 광전기화학 전지를 제안했다. 세슘 카보네이트로 포화시킨 전해질을 이용하여 염과 물 사이 훨씬 더 강화된 끌림이 이후 액체-액체 추출기 내에서 분리될 수 있는 마이크로 에멀전을 형성하여 에탄올과 물을 구분한다.

    염은 수용성 유기 혼합들을 분리하기 위해 산업계에서 활발하게 이용되고 있다. 연구원들은 탈염 효과를 이용하고 매우 복잡한 멤브레인을 요구하지 않고 자연적으로 액체 연료들을 분리할 수 있는 인공 광합성 시스템으로 이를 응용했다.

    포화된 염 전해질은 이 디자인의 특이한 측면이지만 다른 매개변수들의 영역을 형성하기 위해 마이크로 에멀젼을 위해 충분한 농도 내 에탄올을 제조하는데 조심스럽게 조절될 수 있다. 선택성은 다결정 구리 양극에 의해 얻어지며 연료-교차는 감소된 메탄올 용해도와 더불어 멤브레인의 신중한 결정에 의해 최소화된다. 형성하기 위해 마이크로 에멀전에 대해 충분히 높은 에탄올 농도를 얻는데 요구되는 전류는 전지를 반으로 분리하는 멤브레인과 전극들의 표면 영역들을 균형지어 얻어진다. 추출기를 가지고 전기를 직접 연결하고 회로 내 전해질을 펌프하여 이 디자인은 90% 이상의 액체 에탄올을 이론적으로 생산하기 위해 분리를 이용하여 생산을 연결한다.

    물에서 알코올을 분리하는 것은 높은 용해도와 알콜의 교차로 인해 인공 광합성 시스템들에서 큰 문제라고 한국 경북 국립 대학교 광-에너지 전환 전문가 박 현웅 박사가 설명했다. 만약 실험적으로 증명된다면 제안된 개념은 매우 잠재적이고 매우 응용성을 가질 것이다.

    이 디자인의 실현성을 얻기 위해, 벨의 다음 단계는 가스 상태 반응기 내에서 이를 시현하는 것이다. 마드라스 인도 기술 연구원에서 전기화학 에너지 전문가인 발라수브라마니안 비스와나탄 박사는 이 방법이 가격 효율적일 수 있을 것인지 보이는 것이 남아있다고 경고했다. 하지만, 그는 이 디자인의 영향은 전기화학 에너지 전환 연구의 거의 모든 노력들에서 보여질 수 있다고 말했다.

    그림 설명: 버클리 연구팀의 제안된 시스템은 액체-액체 추출기을 이용하여 특별히 디자인된 광전기화학 전지를 연결할 것이다.

    참고 자료: M R Singh and A T Bell, Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/c5ee02783g
  • 키워드 : 탈염, 광합성, 에탄올, 전기화학
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑