18 공업화학 전망, 제18권 제2호, 2015

이산화탄소(CO2) 저온전기분해 기술

장 종 현†⋅정 영 훈⋅차 인 영

한국과학기술연구원(KIST) 연료전지연구센터

Low-temperature CO2 Electrolysis

Jong Hyun Jang, Young-Hoon Chung, and In Young Cha

Fuel Cell Research Center, Korea Institute of Science and Technology (KIST)

Abstract: Low-temperature CO2 electrolysis is expected to provide a practical way to convert CO2 to useful

chemicals, such as CO and formic acid. Utilizing polymer electrolyte membranes typically, CO2 is electrochemically

reduced at cathodes, and oxygen evolution reaction occurs at anodes. For this, electricity sources from renewable

or nuclear energy is required. Various researches have been reported to develop CO2 reduction electrocatalysts in

order to decrease operating voltages. Also based on researched on system development, validation of commercial

plants is expected.

Keywords: CO2 conversion, low-temperature electrolysis, electrochemical cell, electrocatalyst, renewable energy

1. 서 론

1)

이산화탄소(CO2) 배출량은 2000년 이후 연평균

3.1%로 급격히 증가하고 있으며, 이에 따른 기후

변화는 전지구적 주요 문제로 인식되고 있다[1].

이를 해결하기 위한 방안으로 친환경 발전 기술

도입 및 에너지 이용 효율 개선 등을 통해 에너지

부문(화력 발전), 산업 부문(제철소, 화학공장, 시

멘트 공장 등), 수송 부문(자동차, 선박 등)의 CO2

배출량을 줄이려는 노력이 계속되고 있다. 이와

함께 발생한 CO2를 포집, 저장하는 기술(carbon

capture & sequestration:CCS)이 연구, 개발되고

있는데, 특히 CO2를 재자원화하기 위한 기술이 최

근 미국 및 일본 등 주요 선진국을 중심으로 활발

히 연구되고 있다. 이 중 CO2 저온전기분해기술은

고분자 전해질막이나 산성/염기성 수용액을 전해

질로 사용하여 낮은 온도(∼ 100 ℃)에서 작동되

는데, 전기화학적 반응을 통해 CO2로부터 CO, 개

미산 등 다양한 화합물을 생산할 수 있어 주목을

†주저자 (E-mail: jhjang@kist.re.kr)

받고 있다.

2. CO2 저온전기분해의 CO2 저감 효과

CO2 저온전기분해의 원리는 다음과 같다. 애노

드에서는 물이 전기화학적으로 산화되어 산소를

발생시키며, 이때 생성된 수소이온이 전해질을 통

해 캐소드로 전달된다. 동시에, 캐소드에서는 CO2가

수소이온 및 전자와 함께 반응하여, CO, 개미산,

메탄 등 다양한 화합물로 전환되는 전기화학적 환

원 반응이 일어나게 된다. 이때, 캐소드 생성물 조

성은 전기화학촉매 및 작동전압 등에 따라 변화되

므로, 목적에 적합한 소재와 운전조건을 확립하는

것이 중요하다. 캐소드에서는 수소이온의 환원에

의한 수소발생 반응이 함께 일어나므로 발생기체

에는 다량의 수소가 포함되는 것이 일반적이다.

따라서 이를 이용하면, CO와 H2가 적정 비율로

혼합된 합성가스를 직접 생산하는 것이 가능하다.

이러한 전기분해는 전기에너지가 외부에서 공

급되어야 하는 비자발적 반응이기 때문에, 저온전

기획특집: CO2 화학적 전환

이산화탄소(CO2) 저온전기분해 기술

KIC News, Volume 18, No. 2, 2015 19

Figure 1. 연도별 전 세계 CO2 배출량 변화[1].

Figure 2. 양이온교환막을 사용한 저온 전기분해 반응셀의 개념도(좌)[2], CO2 환원 반응 경로 및 촉매에 의한 활성화에너지

감소에 대한 에너지 다이어그램(우)[3].

기분해기술에 의한 CO2 감축량과 전력 생산에 따

른 CO2 배출량을 비교해 볼 필요가 있다. 예를 들

어, CO2를 CO로 환원시키는 2전자 반응의 경우,

전력당 CO2 처리량은 274 g CO2/kWh로 계산되

는데(작동전압 3 V 가정), CO2 발생량이 이보다

낮은 태양광발전(100 g/kWh), 풍력발전(20 g/kWh),

원자력발전(4 g/kWh) 등으로부터 전력을 공급받

는 경우에는 CO2 감축 효과가 있다고 할 수 있다.

따라서, 프랑스, 스위스, 스웨덴, 노르웨이 등과 같

이 신재생 또는 원자력 발전의 비중이 높은 경우

에는 전력당 CO2 발생량이 100 g/kWh 수준이므

로[4,5] 전력망 연계 운전이 타당한 것으로 판단할

수 있다. 반면, 한국은 전력생산에 의한 CO2 발생

량이 545 g/kWh로서 높은 수준이므로[5], CO2 저

온전기분해를 태양광, 풍력 등에 기반한 분산발전

원과 연계하는 것이 적절할 것으로 판단되며, 향후

국내 신재생에너지원 발전 비중이 높아짐에 따라

적용 범위가 점차 확대될 것으로 기대된다. 특히,

신재생에너지는 전력 수요에 따라 발전량을 조절

하는 것이 어려운 문제점이 있는데, CO2 전기화학적

변환을 활용하면 여분의 전기 에너지를 액체 합성

연료로 저장하는 것이 가능할 것으로 기대된다.

3. CO2 저온전기분해 시스템 개발 현황

2002년 T. Fujishima 연구팀은 CO2 전환을 통

기획특집: CO2 화학적 전환

20 공업화학 전망, 제18권 제2호, 2015

Figure 3. 유럽 주요 국가 및 미국의 비탄소 기반 전력 생산 비율[4].

Figure 4. 가압 저온전기분해에 의한 CO2 환원 시스템의 구성도[8].

한 합성가스 생산을 보고하였는데, 단위전지 수준

에서 약 45%의 에너지 효율로 CO/H2 혼합기체를

1:1 비율로 생산하였다[6]. 이후 J. Newman은

CO2를 다양한 방식의 단위전지 구조를 제안하였

는데, CO2의 낮은 용해도를 고려하여, 기체확산전

극을 사용함으로써 물질전달 속도를 확보하고자

하였다[7]. 또한, PEMFC와 유사하게 양이온 교환

막을 사용하는 경우 수소 생성비율이 높아지는 문

제가 있으며, pH 버퍼층을 삽입하면 접촉 저항이

높아지는 문제가 발생함을 보고하였다. 한편,

2012년에 E.J. Dufek 등은 가압운전을 통해 작동

전압을 상압운전 대비 0.4 V 낮추었으며, CO 생

성율도 90%로 매우 향상시킬 수 있음을 보고하였

다(60도, 18.5 기압)[8].

캐나다 Mantra Energy사는 2005년 CO2 전기화

학적 전환을 위한 연속 반응기 구조를 제안하였으

며[9], 2008년에는 trickle-bed 캐소드를 적용하여

CO2 물질 전달 및 기체 이동 속도를 증대시킨

이산화탄소(CO2) 저온전기분해 기술

KIC News, Volume 18, No. 2, 2015 21

Figure 5. CO2의 전기화학적 전환을 위한 trickle-bed continuous electrochemical reactor [10].

continuous electrochemical reactor를 제안하였다

[10]. Mantra Energy사는 이를 바탕으로 캐나다

리치몬드 지역에 100 kg CO2/day 규모의 CO2 전

환 플랜트를 건설 중인 것으로 소개하고 있으며, 1

톤의 CO2를 개미산으로 환원시킬 경우 약 $700의

수익을 얻을 것으로 기대하고 있다[11]. 향후, 실

제 운전을 통해 CO2 저온전기분해의 경제성이 입

증되면, 다양한 방식의 플랜트 개발이 진행될 것

으로 기대된다.

4. CO2 환원용 전기화학촉매 기술

저온전기분해 기술은 시스템화가 유리하며 가

압운전이 용이한 장점이 있으나, 낮은 작동온도로

인해 상대적으로 반응 효율이 낮은 단점을 가지고

있다. 미국 NREL에 의하면 유사기술인 수전해의

경우 전기료가 전체 원가의 약 76%를 차지하는

것으로 보고되어 있다[12]. 따라서, CO2 저온전기

분해에 소모되는 전기에너지 비용을 저감하는 것

이 상업성 확보를 위해 매우 중요할 것으로 판단

되며, 이와 관련하여 전극 반응 과전압을 낮추기

위한 고효율 촉매 개발 연구가 활발히 진행되고

있다. 일본 치바대학교(Chiba University)의 Y.

Hori 교수 연구팀에서는 다양한 금속 촉매의 CO2

전기화학적 환원 특성을 분석하였는데, 금속 전극

표면에 흡착되는 CO2

-˙ 라디칼의 안정화도에 따라,

Au, Ag, Zn가 우수한 CO 생성 선택도를 가짐을

확인하였다[13].

한편, 일리노이 대학(University of Illinois at

Urbana-Champaign)의 R. Masel 교수팀은 2011년

Science에 보고된 논문에서 CO2의 CO 전환을 위

하여 가장 높은 kinetic barrier를 갖는 중간 생성물

인 CO2

-⋅의 안정화를 위하여 이온성 액체(ionic

liquid)를 첨가하여 전환효율을 획기적으로 증대시

키는 내용을 발표하였다[14]. Imidazolium 계열의

이온성 액체를 첨가함으로서 CO2 전환의 과전압

을 0.2 V 이하로 낮추고 97% 이상의 CO 전환선

택도를 가짐을 보였다. 또한, 브라운 대학(Brown

University)의 S. Sun 교수팀은 Au 촉매의 입자 크

기 영향을 분석하였는데, 입자크기를 4 nm까지 감

소시킴에 따라 CO2의 CO 전환 활성이 점차 증대

됨을 보고하였으며, 이는 낮은 배위수를 갖는 Au

기획특집: CO2 화학적 전환

22 공업화학 전망, 제18권 제2호, 2015

Figure 6. 금속 촉매에 의한 CO2 환원 반응 과전압 및 주요 생성물[13].

Figure 7. 이온성 액체 첨가에 따른 CO2 환원 과전압 감소(좌) 및 CO2 전환 효율 증대 (우)[14].

원자들이 유리한 반응경로를 갖기 때문임을 계산

과학으로 입증하였다[15].

최근 사우디아라비아 KAUST의 K. Takanabe

교수는 CO2의 CO 전환 선택도에 관한 흥미로운

결과를 보고하였다[16]. 기존 Cu 전극의 경우, 낮

은 CO 전환 효율을 가져 CO 전환 촉매보다는 포

름산, 메탄 등의 전환 촉매로 연구가 되었다. 그러

나 이들에 따르면 Cu에 In을 첨가하여 전기화학

촉매로 이용할 경우, CO의 전환 효율이 급격히 상

승하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 첨가된 In이

Cu edge에 흡착하여 경쟁 반응인 수소 생성 반응

을 억제하고 주위의 Cu의 CO 흡착 에너지를 낮추

는 역할을 하여 발생하는 결과라고 이 논문은 보

고하고 있다.

5. 결 론

CO2 저온전기분해 기술은 배출된 CO2를 합성

가스, 개미산 등의 유용한 화합물로 전환할 수 있

어 최근 큰 주목을 받고 있다. 또한, 잉여전력으로

부터 고부가가치 화합물을 생산할 수 있으므로,

전력 생산이 불규칙한 풍력 및 태양광 발전 등에

이산화탄소(CO2) 저온전기분해 기술

KIC News, Volume 18, No. 2, 2015 23

Figure 8. Cu (좌)와 Cu-In (우)의 CO2 전환 반응 패러데이 효율[16].

연계하여 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 캐나

다 Mantra사 등에서 플랜트 개발이 진행되고 있으

며, 유사기술인 PEMFC 및 수전해 기술을 적용하

면 실용화를 조기에 실현할 수 있을 것으로 판단

된다. 효율 향상을 위해 전기화학촉매 개발을 통

한 CO2 환원 과전압 개선 및 시스템 기술의 개발

이 진행되고 있는데, 나노기술과 연료전지/수전해

기술이 적절히 활용되면 저온전기분해 기술 수준

을 빠른 시일 내에 세계적 수준으로 향상시킬 수

있을 것으로 기대된다.

6. 감 사

이 논문은 2014년도 정부(미래창조과학부)의

재원으로 (재)한국이산화탄소포집 및 처리연구개

발센터의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2014

M1A8A1049295).

참 고 문 헌

1. BP, “Statistical Review of World Energy” 2014.

2. D. T. Whipple et al., J. Phys. Chem. Lett. 1

3451 (2010).

3. C. Delacourt et al., J. Electrochem. Soc. 155

B42 (2008).

4. U. S. Energy Information Administration,

International Energy Statistics, 2014.

5. IEA, “World Energy Outlook Special Report:

Redrawing the Energy-Climate Map” 2013.

6. T. Yamamoto et al., Electrochim Acta. 47

3327-3334 (2002).

7. C. Delacourt et al., J. Electrochem. Soc. 155

(1) B42-B49 (2008).

8. E. J. Dufek et al., J. Electrochem. Soc. 159

(9) F514-F517 (2012).

9. H. Li et al., J. Appl. Electrochem. 35, 955-965

(2005).

10. C. Oloman et al., Chem Sus Chem, 1, 385-391

(2008).

11. http://mantraenergy.com/

12. NREL, “Current State-of-the-art Hydrogen

Production Cost Estimate using Water

Electrolysis” 2009.

13. Y. Hori et al., Electrochim Acta 39 (11/12)

1833-9 (1994).

14. B. Rosen et al., Science 334, 643 (2011).

15. W. Zhu et al., J. Am. Chem. Soc. 135,

16833-16836 (2013).

16. S. Rasul et al., Angew. Chem. Int. Ed. 53,

1-6 (2014).

기획특집: CO2 화학적 전환

24 공업화학 전망, 제18권 제2호, 2015

장 종 현

1996 서울대학교 공업화학과 학사

1998 서울대학교 공업화학과 석사

2004 서울대학교 공업화학과 박사

2004∼2006 Tokyo University of Agriculture

and Technology, Postdoctoral Fellow

2006∼2007 University of Newcastle upon

Tyne, Research Associate

2007∼2012 한국과학기술연구원 선임연구원

2012∼현재 한국과학기술연구원 책임연구원

정 영 훈

2007 서울대학교 화학생물공학부

학사

2009 서울대학교 화학생물공학부

석사

2013 서울대학교 화학생물공학부

박사

2013∼현재 한국과학기술연구원 Post-Doc.

차 인 영

2009 서울대학교 화학생물공학부

학사

2014 서울대학교 화학생물공학부

박사

2014∼현재 한국과학기술연구원 Post-Doc.