원자로로 직접 공기 포집을 더욱 에너지 효율적으로 만들 수 있음

라이스 대학 연구진은 대기에서 이산화탄소를 직접 제거하는 직접 공기 포집 기술의 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있는 전기화학 반응기를 개발했습니다.

새로운 원자로 설계는 이산화탄소 완화 전략을 보다 민첩하고 확장 가능하게 함으로써 기후와 생물권에 미치는 배출 영향이라는 시급한 문제에 대한 해결책의 일부가 될 수 있습니다.

Nature Energy 의 한 연구에 따르면, 이 특수 반응기는 모듈식 3개 챔버 구조이며, 그 중심에는 신중하게 설계된 다공성 고체 전해질 층이 있다고 합니다. 산업 탈탄소화와 에너지 변환 및 저장 솔루션을 연구해 온 Rice 화학 및 생물 분자 엔지니어인 Haotian Wang은 이 연구가 "대기에서 탄소 포집에 있어 큰 이정표를 나타낸다"고 말했습니다.

"저희 연구 결과는 탄소 포집을 보다 비용 효율적으로 만들고 광범위한 산업에 걸쳐 실질적으로 실행 가능하게 만들 수 있는 기회를 제공합니다." 연구의 책임 저자이자 화학 및 생물 분자 공학과 조교수인 왕이 말했습니다.

이 장치는 탄소 함유 용액에서 산업적으로 관련성 있는 이산화탄소 재생률을 달성했습니다. 장기 안정성과 다양한 양극 및 양극 반응에 대한 적응성을 포함한 성능 지표는 광범위한 산업적 사용에 대한 잠재력을 보여줍니다.

"이 기술의 가장 큰 매력 중 하나는 유연성입니다." 왕은 이 기술이 다양한 화학 물질과 함께 작동하고 수소를 공동 생성하는 데 사용될 수 있다고 설명했습니다. "직접 공기 포집 중 수소 공동 생산은 순제로 연료 또는 화학 물질의 하류 제조에 대한 자본 및 운영 비용을 획기적으로 낮출 수 있습니다."

새로운 기술은 이산화탄소, 산성 가스를 걸러내기 위해 종종 고 pH 액체에 혼합 가스 스트림을 흐르게 하는 직접 공기 포집 공정에서 고온을 사용하는 것에 대한 대안을 제공합니다. 이 공정의 첫 번째 단계는 가스 분자의 탄소와 산소 원자를 액체의 다른 화합물에 묶어 이산화탄소를 포집하는 데 사용된 화학 물질의 유형에 따라 다양한 강도의 새로운 결합을 형성합니다. 이 공정의 다음 주요 단계는 이러한 용액에서 이산화탄소를 회수하는 것으로, 열, 화학 반응 또는 전기화학적 공정을 사용하여 수행할 수 있습니다.

이 연구의 공동 제1저자이자 라이스 대학 박사후 연구원인 지웨이 팡은 기존의 직접 공기 포집 기술은 흡착제 또는 이산화탄소 여과제에서 이산화탄소를 재생하기 위해 고온 공정을 사용하는 경향이 있다고 말했습니다.

Fang은 "우리의 연구는 이산화탄소를 재생하기 위해 열 에너지 대신 전기 에너지를 사용하는 데 중점을 두었습니다."라고 말하며, 이 접근 방식은 실온에서 작동하고, 추가 화학 물질이 필요 없으며, 원치 않는 부산물을 생성하지 않는다는 등 여러 가지 추가적인 이점이 있다고 덧붙였습니다.

이산화탄소를 가두는 데 사용되는 화학 물질 유형에는 서로 다른 단점과 장점이 있습니다. 아민 기반 흡착제가 가장 널리 사용되는데, 그 이유는 부분적으로 약한 결합을 형성하는 경향이 있어 이산화탄소를 용액에서 다시 꺼내는 데 필요한 에너지가 적기 때문입니다. 그러나 이들은 매우 독성이 강하고 불안정합니다. 수산화나트륨과 수산화칼륨과 같은 흡착제를 사용하는 기본 수성 용액이 더 친환경적인 대안이기는 하지만 이산화탄소를 다시 방출하려면 훨씬 더 높은 온도가 필요합니다.

"저희 반응기는 탄산염과 중탄산염 용액을 효율적으로 분리하여 한 챔버에서는 알칼리성 흡수제를, 다른 챔버에서는 고순도 이산화탄소를 생산할 수 있습니다."라고 왕은 말했습니다. "저희의 혁신적인 접근 방식은 전기 입력을 최적화하여 이온 이동과 물질 전달을 효율적으로 제어하고 에너지 장벽을 줄입니다."

왕은 이 연구가 더 많은 산업이 지속 가능한 프로세스를 추구하고 탄소 중립 미래를 향한 추진력을 불어넣기를 바란다고 말했습니다. 그는 이 연구와 그의 연구실에서 수년간 진행한 다른 프로젝트가 지속 가능한 에너지 혁신에 대한 라이스의 전략적 초점을 반영한다고 덧붙였습니다.

왕은 "지속 가능성과 에너지 혁신에 열정이 있다면 라이스는 찾아가야 할 곳입니다."라고 말했습니다.

이 연구에 참여한 다른 저자로는 전 라이스 대학 박사후 연구원인 샤오 장과 라이스 대학 박사 과정 동문이자 전 박사후 과학자인 펭 주, 양 샤가 있습니다.

이 연구는 Robert A. Welch Foundation(C-2051)과 David and Lucile Packard Foundation(2020-71371)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241029174425.htm