“영하 10도에서도 지구온난화 주범 잡아낸다” 공기 중 이산화탄소 포집하는 흡착제 개발

△ CO2 펠렛 흡착제의 대량생산과 저온 직접공기포집 시스템 평가 개요. 영하 환경에서도 성능이 검증되고 대량생산이 가능하며, 에너지 효율이 높은 직접공기포집용 펠렛 흡착제

영하 10도에서도 공기 중 흩어져 있는 지구온난화 주범을 잡아낸다. 고려대학교(총장 김동원) 기계공학부 강용태 교수 연구팀이 공기 중에 약 0.04%밖에 없는 이산화탄소(CO2)를 직접 포집할 수 있는 펠렛형 흡착제를 개발했다. 

*펠렛: 가루 소재를 장치에 넣기 쉽도록 일정한 크기의 알갱이로 만든 형태

탄소중립을 실현하려면 공장 등 고농도 배출원은 물론, 이미 대기 중에 퍼진 CO2도 제거해야 한다. 문제는 대기 중 CO2 농도가 약 0.04%(400ppm)에 불과하다는 점이다. 따라서 미량의 CO2만 강하게 붙잡으면서도 재생 시 적은 에너지가 들고, 반복 사용하더라도 성능을 유지하는 흡착제가 필요하다. 또 이 흡착제가 직접공기포집 장치에 쓰이기 위해서는 소재 유실과 압력 손실, 접착제 사용을 줄일 수 있는 구조화된 형태를 갖춰야 한다.

*재생: 여기서는 이산화탄소를 떼어내어 흡착제를 새것처럼 비워내는 동작·단계를 뜻한다

*직접공기포집 장치(DAC): 대기 중의 공기를 대형 팬으로 흡입한 뒤, CO2만 포집 및 분리·회수하는 설비

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.

나아가 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.

본 연구 성과는 8월에 발간된 응용화학 분야 국제 학술지인 ‘Journal of Energy Chemistry(IF=15.6, Top 1.9%)’ 119권에 수록됐다.

*논문명: Engineering self-assembled pellet adsorbents for energy-efficient sub-ambient direct air capture

*DOI: 10.1016/j.jechem.2026.04.082

*URL: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2026.04.082

이번 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP)과 기후에너지환경부(MCEE)의 지원을 받아 수행됐다.

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 기계공학부 강용태 교수(교신저자), 서영환 박사과정(제1저자)