개미산 연료 전환 기술... 건국대, 이산화탄소 자원화 산업 전환점 열어

건국대학교가 이산화탄소를 고농도 액체 연료로 전환할 수 있는 개미산 전환 기술 개발에 성공했다.

박기태 교수 연구팀은 고려대학교와 KAIST와의 공동 연구를 통해, 기존 기술의 병목이던 이산화탄소 공급 문제를 해결하고, 고순도 개미산 을 직접 생산하는 데 성공했다고 1일 밝혔다.

이번 성과는 화학 분야 세계적 학술지인 Angewandte Chemie 2025년 7월호 표지 논문으로 선정되며 국제적인 주목을 받고 있다.

연구팀은 탄산무수화효소를 탄소나노튜브에 고정한 뒤, 비스무트 금속 촉매와 결합한 금속-효소 하이브리드 전극을 개발했다.

이를 통해 이산화탄소를 촉매 표면에 빠르게 공급할 수 있게 되었고, 결과적으로 기존 전극 대비 반응 속도가 최대 3.3배 향상되었다.

개미산 이산화탄소 액체 연료 전환 기술의 배경과 국제적 동향

이번 건국대학교 연구팀의 개미산 전환 기술 개발 성공은 탄소 자원화(Carbon Utilization) 기술 분야에서 매우 중요한 진전을 의미한다.

특히 이산화탄소를 화학 원료나 연료로 전환하는 기술은 기후 변화 대응과 에너지 안보 확보라는 두 가지 주요 과제를 해결할 핵심 열쇠로 주목받고 있으며, 이 기술의 배경과 경쟁 기술 동향을 심층적으로 살펴볼 필요가 있다.

이산화탄소를 유용한 물질로 전환하는 연구는 오랜 기간 동안 진행되어 왔지만, 실질적인 상용화에 도달하기 어려운 몇 가지 병목 현상에 직면해 왔다.

첫째, 이산화탄소 분자는 매우 안정적이어서 이를 환원(전환)시키기 위해서는 높은 에너지가 필요하며, 기존의 전기화학적 환원 시스템은 이산화탄소의 느린 용해 속도와 낮은 농도로 인해 촉매 표면으로의 이산화탄소 공급이 제한되어 반응 속도가 낮았다.

둘째, 수용액 기반의 전기화학 시스템은 주로 희석된 상태의 생성물을 만들어내기 때문에, 고순도 개미산을 얻기 위해서는 복잡하고 에너지 소모적인 분리 및 정제 공정이 필수적이었으며, 이는 기술의 경제성을 크게 떨어뜨리는 요인이었다.

셋째, 원하는 단일 생성물만을 고효율로 선택적으로 생산하는 촉매의 안정성과 선택성 확보 역시 난제로 남아 있었다.

건국대 박기태 교수팀이 개발한 금속-효소 하이브리드 전극은 이러한 기존 기술의 한계를 정면으로 돌파한 사례로 평가된다.

연구팀은 자연에서 이산화탄소와 물을 탄산 수소 이온으로 빠르게 전환하는 역할을 하는 탄산무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 활용했다.

이 효소를 이용하여 이산화탄소를 촉매 표면에 고속으로 ‘운반’함으로써, 기존 기술의 ‘이산화탄소 공급 병목’ 문제를 근본적으로 해결하고 결과적으로 반응 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있었다.

이산화탄소 자원화 기술은 크게 열화학적(Thermochemical), 광화학적(Photochemical), 그리고 전기화학적(Electrochemical) 전환 기술로 나뉜다.

건국대학교의 기술은 에너지 효율성과 확장성 측면에서 가장 주목받는 전기화학적 전환 분야에 속한다.

전 세계적으로 전기화학적 이산화탄소 환원 기술은 개미산 외에도 일산화탄소, 에틸렌, 에탄올 등 다양한 탄소 화합물 생산을 목표로 활발히 연구되고 있다.

주요 기술 동향을 살펴보면, 기존의 액체 전해질 대신 고체 고분자 전해질 막(PEM)을 사용하여 시스템의 소형화와 고농도 생성물 생산 효율을 높이는 고체 전해질/막 기반 시스템 연구가 주를 이룬다.

건국대가 고체전해질 기반 전해 구조를 채택한 것은 이러한 국제적 프리미엄 기술 동향을 반영한 것으로 볼 수 있다.

또한, 은, 구리, 비스무트 등을 기반으로 한 나노 구조 촉매를 개발하여 특정 생성물에 대한 선택성(Selectivity)을 극대화하는 연구가 집중되고 있다.

이와 함께 건국대 연구처럼 효소나 미생물 등 생체 시스템의 효율성을 전기화학 시스템에 결합하는 ‘바이오-하이브리드’ 접근 방식이 새로운 고효율 경로로 떠오르고 있다.

미국, 캐나다, 유럽연합(EU) 등의 선진국과 중국 등에서 대규모 국책 과제를 통해 관련 연구를 적극 지원하고 있다.

특히 미국의 LanzaTech과 같은 기업은 미생물을 이용한 이산화탄소/일산화탄소 전환 기술을 상용화하여 제트 연료 등을 생산하는 등 이미 시장에 진입하고 있다.

연구팀이 고농도 개미산을 별도의 정제 과정 없이 생산할 수 있게 한 것은 상업적 경쟁력을 좌우하는 ‘경제성’ 측면에서 다른 경쟁 기술 대비 확실한 우위를 점할 수 있는 요소로 평가된다.

따라서 이산화탄소를 경제적 자원으로 활용하는 탄소 자원화 시대의 실질적인 전환점을 마련했다는 점에서 이 기술의 상용화 성공 여부가 크게 주목된다.

이 시스템은 고체전해질 기반의 전해 구조를 채택해, 전해질과 혼합되지 않은 15퍼센트 이상의 고농도 개미산을 별도 정제 없이 생산할 수 있도록 설계됐다.

개미산은 화학 원료로서뿐만 아니라 수소 저장 매체, 연료전지용 액체 연료 등으로도 활용이 가능해 산업적 응용 가능성이 매우 높다.

이번 기술은 정제 비용과 장비 운영 부담을 줄일 수 있는 동시에, 저농도 이산화탄소 환경에서도 적용할 수 있다는 장점이 있다.

특히 화학 공정이나 발전소 등 온실가스 배출 산업 현장에서 이 기술을 접목하면, 이산화탄소를 연료로 전환하는 시스템이 구현될 수 있다.

박기태 교수는 “효소 기반 이산화탄소 공급 구조를 전기화학 시스템에 통합함으로써 탄소중립 사회로 가는 실용적인 기술 기반을 마련했다”며

“기술 상용화를 통해 이산화탄소를 경제적 자원으로 활용하는 시대를 열 수 있을 것”이라고 강조했다.

이번 건국대학교의 연구는 과학기술정보통신부 국가연구개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구에는 박기태 교수 외에도 강여민·도영진 박사과정생, 고려대 김중배 교수와 김윤재 박사과정생, KAIST 이진우 교수가 참여했다.