나노기술 및 정책 정보

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인간 활동은 이제 매년 대기로 방출되는 이산화탄소 400억 톤에 해당하는 양으로 이어지고 있으며, 2040년까지 산업화 이전 수준보다 섭씨 1.5도까지 지구 온도를 높이는 궤도에 올랐음. 기후 변화에 관한 정부 간 패널(IPCC)에 따르면, 지구 온난화를 섭씨 1.5도로 제한해야 한다고 함.

과학자들은 대기에서 이산화탄소를 제거하고 격리하는 네거티브 배출 기술(NET)이 기후 변화를 완화하기 위한 전략의 필수 구성 요소가 될 것이라는 사실을 더욱 인식하고 있음. 미국 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)의 다 학제 에너지 부서 연구실은 NET 및 관련 연구 포트폴리오를 추구하고 있으며, 이는 지질 및 지상 격리에서 바이오 제품으로의 전환, 수소 연료를 위한 열 반응기에 이르기까지 다양함.

NET를 위해 개발 중인 유망한 기술은 MOF 또는 금속 유기 프레임 워크라고 하는 물질을 사용한 탄소 포집으로, 버클리 연구소에서는 이 재료를 수년간 연구해 옴.

MOF 또는 금속 유기 프레임 워크는 다공성이 높고 스폰지처럼 작동하여 이산화탄소와 같은 특정 가스 분자를 대량으로 흡수할 수 있는 일종의 고체 물질임. MOF의 특징은 내부 표면적이 매우 높다는 것임. 소량의 MOF로 화석 연료 연소에 의해 생성되는 배기 가스로부터 많은 양의 이산화탄소를 제거할 수도 있음.

또한, 연구진은 몇 년 전에 특정 MOF가 스위치와 같은 메커니즘을 통해 이산화탄소를 포획할 수 있다는 발견을 하였고, 가스가 대기로 들어가기 전에 발전소에서 연소하는 이산화탄소를 효과적으로 제거하기 위한 재료를 최적화하기도 함. MOF에서 이산화탄소의 포집 및 방출이 다른 기술에 필요한 것보다 훨씬 작은 온도 변화를 사용하여 달성될 수 있음을 보여주었으며, 이 전략을 사용하면 고가의 고온 증기를 전력 생산에서 분리할 필요가 없어 전기 비용이 크게 증가하지 않음.

직접 공기 포획의 경우 MOF는 가장 좋은 방법이고, BECCS의 탄소 포집 부분(또는 탄소 포집 및 저장을 통한 바이오 에너지, 새로운 NET)의 경우, 기본적으로 나무나 작물을 재배하고 연료로 연소한 다음 이산화탄소를 포집하고 격리할 수 있음.

다양한 이산화탄소 분리 공정을 위한 MOF의 상업적 생산을 추구하기 위해 2014년에 Mosaic Materials라는 스타트업 회사가 설립되었고, 연구진은 연구소에서 National Energy Technology Laboratory (NETL)를 통해 지원받은 프로젝트를 이끌고 있음. 이 프로젝트는 Mosaic Materials 및 Svante라는 캐나다 엔지니어링 회사와 협력하여 석탄 화력 발전소 연도 가스에 대한 파일럿 시연을 수행하고 있음.

기술의 광범위한 상업적 배포는 반드시 전 세계적으로 구현되기 때문에 탄소 포집과 관련된 비용과 에너지를 극적으로 감소시킬 수 있을 것으로 예상되며, 다른 곳에서는 MOF가 다른 유해 가스의 안전한 저장을 위해 상업적으로 사용되고 있음. 이산화탄소 포획의 경우 이제 상용 배포 준비가 거의 완료되었음.

MOF 추가 연구와 관련하여, 직접 공기 포집 비용을 극적으로 낮추는 것이 중요함. 또한, 송풍에 필요한 에너지도 고려해야 하는데, 더 많은 이산화탄소를 포획하려면 기본적으로 재료를 통해 더 많은 공기를 흘려보내야 함.

연구진의 목표 중 하나는 고용량, 높은 포집 속도, 이산화탄소 흡착을 위한 빠른 속도, 낮은 재생 온도를 갖는 재료를 개발하는 동시에 에너지를 낭비하지 않도록 물의 공동 흡착을 제한하는 것임.