독일 레이던대학(Leiden university)에서 진행 중인 연구는 이산화탄소(CO2)를 이용하여 천연가스(Natural Gas)를 제조할 뿐만 아니라 재생가능 에너지(Renewable Energy)로 저장하는데 도움을 줄 것으로 기대된다. 레이던대학 교수인 Marc Koper와 박사학위 중인 Jing Shen이 수행한 이번 연구는 이 공정이 얼마나 경제적이면서 조절 가능한 방법으로 실시될 수 있는지를 보여주고 있다.
온실가스(Greenhouse Gas)인 CO2는 다음과 같은 공정을 통해 천연가스로 변환된다. 우선 CO2가 산성용액을 통과하게 되면 거품이 발생한다. 이 용액에는 코발트 포르피린(Cobalt-porphyrin) 촉매가 부착된 흑연전극이 포함되어 있으며 소량의 음전압이 적용된다. 이러한 촉매는 CO2를 일산화탄소와 메탄으로 변환할 수 있다고 이미 알려져 있다. 그렇지만 반응을 통해 원하지 않았던 수소를 생산하는 것이 문제가 된다. 이에 Koper 교수와 Shen의 연구에서는 이러한 공정이 어떻게 일어나는지를 최초로 보여주었다. 이들의 연구는 수소가 발생하는 양을 최소화하고 가능한 많은 양의 CO2를 천연가스로 변환하기 위해 최적의 산도가 정확히 어떤 것인지를 알 수 있게 해준다.
이번 연구가 주는 추가적인 혜택은 촉매가 일반적인 물질로 이루어졌다는 점이다. 코발트-포르피린은 비타민 B12의 일부이다. 그리고 전극에 사용된 흑연은 연필심에 사용되는 물질과 유사하다. 따라서 새로운 촉매를 제조하는데 필요한 비용은 겨우 몇 유로 수준으로 경제적이다. 이와 반대로 CO2를 메탄으로 변환하는 다른 기술들은 희귀하면서 가격은 높은 금속을 사용하고 있다. 대표적인 금속은 백금(Platinum)이다.
Koper 교수는 이번 발견이 연료를 이용할 때 부산물로 발생하는 CO2와 물을 이용하여 새로운 에너지나 화학산업에서 사용할 수 있는 기본 요소들로 변환시키고자 하는 그의 꿈을 실현하는데 도움을 줄 것으로 보고 있다. 그리고 태양에너지(Solar Energy)를 이용하여 이러한 공정을 수행할 수 있다면 재생가능 에너지를 저장하는 것과 동일한 효과를 가져올 것이다.
Koper 교수는 "우리는 태양전지판과 풍차를 이용하여 점차 많은 양의 전기를 생산하고 있다. 그렇지만 이 에너지들은 생산되는 언제나 즉시 이용하지는 못하고 있다. 예를 들어 독일에서는 때때로 너무 많은 양의 재생가능 전기(Renewable Electricity)가 생산되기 때문에 이를 저장하는 것이 필요하다. 이와 같은 부분은 이번 연구를 응용 분야에 적용시키는데 있어 가장 큰 잠재력이라 할 수 있다. 물과 CO2를 가치있는 제품으로 변환함으로써 재생가능 에너지를 더욱 효율적으로 활용할 수 있다.
Koper 교수는 이러한 접근방법이 실현되기까지는 시간이 필요할 것이라 생각하고 있다. 그는 "장기적으로 보아야 의미가 있다. 규모확대가 가능하고 경제적인 공정을 통해 가치있는 제품을 만드는데 50년의 시간이 필요할 수 있다. 쉽지는 않겠지만 이번 발견이 도움이 될 수 있을 것이다. 에너지를 관리할 수 있는 보다 근본적인 방법을 다양하게 모색해야 할 것이며, 이번 연구는 이러한 활동에 기여할 것"이라고 말했다.
Cost-effective catalyst converts CO2 into natural gas
A discovery made in Leiden helps not only to make natural gas from CO2 but also to store renewable energy. Research by Professor Marc Koper and PhD student Jing Shen shows how this process can be implemented in a cost-effective and controllable way.
Inexpensive
The conversion of the greenhouse gas CO2 into natural gas is achieved using a chemical process in which CO2 is bubbled through an acid solution. The solution contains a graphite electrode -- to which a small negative voltage is applied -- with a cobalt-porphyrin catalyst attached to it. It was already known that this catalyst can convert CO2 into carbon monoxide and methane, but the reaction always released unwanted hydrogen. In their investigation, Koper and Shen show for the first time how the process works. They therefore know exactly what the best acidity degree is in order to minimise the amount of hydrogen and to convert as much CO2 as possible into natural gas.
Common materials
An added benefit is that the catalyst is entirely made up of common materials. Cobalt porphyrin is a part of vitamin B12, while the graphite for the electrode is similar to a pencil lead. Therefore the catalyst only costs a few euros. Comparable methods of converting CO2 into methane often use rare and expensive metals, such as platinum.
Realising a dream
Koper hopes that this discovery will bring his dream a little closer to realisation: to convert CO2 and water, the by-products of fuels, into new energy or building blocks for the chemical industry. If this can be achieved using solar energy, this process will also offer a method of storing renewable energy.
Using renewable energy efficiently
'We're generating more and more electricity using solar panels and windmills, but that energy is by no means always used straight away,' Koper explains. 'In Germany, for example, too much renewable electricity is generated sometimes, so you want to store it. That is the most important potential application of our research: to use renewable energy efficiently by converting water and CO2 into valuable products.'
A fundamentally different way
Still, Koper thinks that it will take a while to get to that point. 'This is something for the long term and it could be another fifty years before we have a method that makes valuable products and is also robust, scalable and cost-effective. But I'm nevertheless convinced that this is the way to go. It will not be easy, but this discovery is helpful. We have to find a fundamentally different way to manage energy, and our discovery can contribute to that.'
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