마법의 소재: 공기 중 탄소 포집이 더욱 쉬워졌다.

 

이 공유 결합 유기 골격(COF)은 주변 공기에서 이산화탄소를 효과적으로 제거하여 나무의 흡수 능력을 모방하지만 상당히 빠른 속도로 제거할 수 있다.

 

탄소 포집 과제

우리가 생산하는 이산화탄소를 포집하고 저장하는 것은 온실 가스를 줄이고 지구 온난화를 늦추는 데 중요하다. 그러나 현재의 탄소 포집 기술은 발전소 배출과 같은 농축된 탄소원에만 효과적이다. 이러한 방법은 농도가 배기 가스보다 수백 배 낮은 공기에서 이산화탄소를 포집하는 데 어려움을 겪는다.

 

이러한 사실에도 불구하고 직접 공기 포집(DAC)은 산업 혁명 이전 수준보다 약 50% 높은 426ppm에 도달한 CO2 수준을 역전하는 데 필수적인 것으로 여겨진다. 기후 변화에 관한 정부간 패널은 DAC 없이는 역사적 세계 평균보다 지구 온난화를 1.5°C(2.7°F)로 제한한다는 목표를 달성할 수 없다고 경고했다.

 

노란색 COF-999 바이알, 배경에 UC 버클리의 랜드마크인 캄파닐레가 보인다. 출처: Zihui Zhou, UC 버클리

 

직접 공기 포집의 획기적인 진전

캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 화학자들이 개발한 새로운 소재가 이를 달성하는 데 도움이 될 수 있다. 공유 결합 유기 골격(COF)으로 알려진 이 다공성 소재는 물이나 기타 오염 물질에 의해 분해되지 않고 공기에서 CO2를 효율적으로 포집할 수 있다. 이는 현재 DAC 기술을 제한하는 문제이다.

 

UC 버클리의 제임스와 닐트제 트레터 화학 교수이자 네이쳐 저널에 게재된 논문의 수석 저자인 오마르 야기는 "이 소재의 분말을 튜브에 넣고 버클리 공기(실외 공기)를 소재에 통과시켜 성능을 확인했는데, 정말 아름다웠다. 공기에서 CO2를 완전히 제거했다. 모든 것."라고 말했다.

그는 "성능 면에서 이와 비슷한 것이 없기 때문에 기대가 크다. 기후 문제를 해결하려는 우리의 노력에 새로운 지평을 열었다."라고 덧붙였다.

 

COF로 탄소 포집 강화

야기에 따르면, 이 새로운 소재는 정유소 배출물에서 CO2를 제거하고 지하에 저장하기 위해 대기 CO2를 포집하기 위해 이미 배치되었거나 시범적으로 운영 중인 탄소 포집 시스템에 쉽게 대체될 수 있다.

 

이 논문의 첫 번째 저자인 UC 버클리 대학원생 지훼이 조우는 이 소재의 단 200g, 즉 0.5파운드도 안 되는 무게가 나무 한 그루와 같은 양의 CO2(20kg, 44파운드)를 1년에 흡수할 수 있다고 말했다.

 

"연기 가스 포집은 CO2를 대기로 방출하지 않으려고 하기 때문에 기후 변화를 늦추는 방법이다. 직접 대기 포집은 100년 이상 전으로 돌아가는 방법이다."라고 조우가 말했다. "현재 대기 중 CO2 농도는 420ppm 이상이지만, 연기 가스 포집을 완전히 개발하고 적용하기 전에 500 또는 550으로 증가할 것이다. 따라서 농도를 낮추고 400ppm 또는 300ppm으로 돌아가려면 직접 공기 포집을 사용해야 한다."

 

소재 개발의 진전

야기는 COF와 MOF(금속 유기 골격)의 발명가로, 둘 다 규칙적으로 간격을 둔 내부 기공이 있는 단단한 결정 구조로, 가스가 달라붙거나 흡착할 수 있는 넓은 표면적을 제공한다. 그와 그의 연구실에서 개발한 일부 MOF는 건조한 조건에서도 공기에서 물을 흡착할 수 있으며, 가열하면 마실 수 있는 물을 방출한다. 그는 DAC가 대부분의 사람들의 레이더 화면에 나타나기 훨씬 전인 1990년대부터 탄소를 포집하는 MOF를 연구해 왔다고 말했다.

 

2년 전, 그의 연구실은 CO2를 흡착하는 매우 유망한 물질인 MOF-808을 만들었지만, 연구원들은 수백 번의 흡착과 탈착 사이클을 거친 후 MOF가 분해된다는 것을 발견했다. 이러한 MOF는 내부에 아민(NH2 그룹)으로 장식되어 있어 CO2를 효율적으로 결합하고 탄소 포집 재료의 일반적인 구성 요소이다. 사실, 주요 탄소 포집 방법은 이산화탄소를 포집하는 액체 아민을 통해 배기 가스를 버블링하는 것이다. 그러나 야기는 액체 아민의 에너지 집약적 재생 및 휘발성이 추가 산업화를 방해한다고 지적했다.

 

CO2 흡수의 과제와 혁신

야기는 동료들과 협력하여 일부 MOF가 DAC 응용 분야에서 분해되는 이유를 발견했다. 산성이 아닌 염기성 조건에서 불안정하고 아민은 염기성이다. 그와 저우는 독일과 시카고의 동료들과 협력하여 COF-999라고 하는 더 강한 재료를 설계했다. MOF는 금속 원자에 의해 결합되는 반면, COF는 자연에서 가장 강력한 화학 결합 중 하나인 탄소-탄소 및 탄소-질소 공유 결합에 의해 결합된다.

 

MOF-808과 마찬가지로 COF-999의 기공은 내부가 아민으로 장식되어 있어 더 많은 CO2 분자를 흡수할 수 있다.

야기는 "공기에서 CO2를 포집하는 것은 매우 어려운 문제이다."라고 말했다. "에너지적으로 요구되며 이산화탄소 용량이 높고, 선택성이 높고, 물에 안정적이며, 산화적으로 안정적이고, 재활용 가능한 재료가 필요하다. 재생 온도가 낮아야 하고 확장 가능해야 한다. 재료에 대한 어려운 요구이다. 그리고 일반적으로 오늘날까지 배치된 것은 아민 용액으로, 물에 아민이 있는 것을 기반으로 하기 때문에 에너지 집약적이며, 물은 가열하는 데 많은 에너지가 필요하거나 궁극적으로 시간이 지남에 따라 분해되는 고체 재료이다."

 

야기와 그의 팀은 지난 20년 동안 산과 염기부터 물, 유황, 질소에 이르기까지 다른 다공성 고체 물질을 분해하는 오염 물질을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강한 백본을 가진 COF를 개발했다. COF-999는 아민기가 부착된 올레핀 폴리머 백본에서 조립된다. 다공성 물질이 형성되면 더 많은 아민으로 씻어내어 NH2에 부착하고 기공 내부에 짧은 아민 폴리머를 형성한다. 각 아민은 약 1개의 CO2 분자를 포획할 수 있다.

 

400ppm CO2 공기를 실온(25°C)과 습도 50%에서 COF로 펌핑하면 약 18분 만에 용량의 절반에 도달하고 약 2시간 만에 채워진다. 그러나 이는 샘플 형태에 따라 달라지며 최적화하면 1분에 몇 분의 1까지 빨라질 수 있다. 비교적 낮은 온도(60°C 또는 140°F)로 가열하면 CO2가 방출되고 COF는 다시 CO2를 흡착할 준비가 된다. 그램당 최대 2밀리몰의 CO2를 보유할 수 있어 다른 고체 흡착제와 구별된다.

 

미래 방향 및 AI 통합

야기는 현재 내부 폴리아민 사슬의 모든 아민이 CO2를 포착하는 것은 아니므로 기공을 확대하여 두 배 이상 결합할 수 있다고 언급했다.

"이 COF는 화학적 및 열적으로 안정된 강력한 백본을 가지고 있으며 에너지가 덜 필요하며 용량 손실 없이 100회 사이클을 견딜 수 있음을 보여주었다. "다른 어떤 소재도 그런 성능을 보이지 않았다." 야기가 말했다. "기본적으로 직접적인 공기 포집에 가장 적합한 소재이다."

 

야기는 인공지능이 탄소 포집이나 다른 목적을 위해 더 나은 COF와 MOF의 설계를 가속화하는 데 도움이 될 수 있다고 낙관하고 있다. 특히 결정 구조를 합성하는 데 필요한 화학적 조건을 식별함으로써 말이다. 그는 UC 버클리의 연구 센터인 지구를 위한 디지털 소재 바카 연구소(BIDMaP)의 과학 책임자로, AI를 사용하여 기후 변화의 영향을 제한하고 해결하는 데 도움이 되는 비용 효율적이고 쉽게 배포할 수 있는 MOF와 COF 버전을 개발한다.

그는 "AI를 우리가 해온 화학과 결합하게 되어 매우 기쁘다."라고 말했다.