호스트–게스트 상호작용으로 아민의 고질적 산화 문제 해결

실제 배기가스 환경에서 장기 안정성 확보 및 재생 에너지 효율 획기적 개선

 

고려대학교 세종캠퍼스(부총장 양지운) 신소재화학과 김현욱 교수 연구팀이 한국에너지기술연구원(KIER) CCS연구단, 대구가톨릭대학교와 공동 연구를 통해 습기와 산소가 존재하는 실제 산업 배기가스 환경에서도 장기간 안정적으로 작동하는 고내구성 이산화탄소(CO₂) 흡착제를 개발했다.

 

이산화탄소 포집 기술은 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술로 주목받고 있으나 기존 아민(amine) 기반 고체 흡착제는 실제 산업 환경에서의 내구성 문제로 상용화에 큰 한계를 보여 왔다. 아민 기반 흡착제는 CO₂와의 반응성이 높고 재생에 필요한 에너지가 적다는 장점이 있지만, 배기가스에 포함된 수분과 산소에 노출될 경우 아민 성분이 쉽게 산화되어 흡착 성능이 급격히 저하되는 치명적인 단점이 있었다.

 

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 초분자 화학(supramolecular chemistry) 개념을 도입했다. 호스트–게스트 분자 상호작용 원리를 활용해 호박 모양의 분자인 쿠커비투릴(cucurbit[6]uril, CB[6])이 폴리에틸렌이민(PEI) 주위를 감싸도록 설계함으로써 아민 기능기를 분자 수준에서 보호하는 새로운 전략을 제시했다. 이 초분자 복합체를 실리카 지지체에 고정화한 결과, 별도의 복잡한 화학적 개질 없이도 아민의 산화 열화를 효과적으로 차단하는 데 성공했다.

 

개발된 흡착제는 실제 산업 현장의 배기가스와 유사한 조건인 CO₂ 농도 15%, 수분 약 7%, 온도 70~80℃의 환경에서 평균 8.04wt%의 높은 CO₂ 흡착량을 기록했다. 특히 수분 흡착량은 1.16wt%로 매우 낮게 나타나, 습한 조건에서도 이산화탄소만을 선택적으로 포집할 수 있음을 입증했다. 또한 반복적인 흡착–재생 사이클 시험에서도 평균 6.6wt%의 안정적인 동적 흡착량을 유지하며 뛰어난 장기 내구성을 보였다.

 

에너지 효율 측면에서도 의미 있는 성과를 거두었다. 포집된 CO₂를 분리하는 재생 과정에 필요한 에너지는 2.77~2.99 GJ/t-CO₂로, 기존 폴리에틸렌이민(PEI) 기반 흡착제 대비 현저히 낮은 수준을 기록했다. 이는 실제 산업용 탄소 포집 공정에 적용할 경우 운전 비용을 크게 절감할 수 있는 경제적 수준이다.

 

김현욱 교수는 “이번 연구는 초분자 화학 기술을 통해 아민 기반 흡착제의 가장 큰 약점이었던 산화 열화 문제를 근본적으로 해결한 사례”라며, “복잡한 화학적 개질 없이 단순한 배합만으로 구현할 수 있어 대규모 탄소포집(CCUS) 및 발전소 배기가스 처리 공정에 적용될 가능성이 매우 크다”고 밝혔다.

 

이번 연구 성과는 화학공학 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’(IF 13.4, JCR 상위 5% 이내) 2025년 12월호에 게재되며 학술적 우수성과 실용 가능성을 동시에 인정받았다. 논문명은 ‘Non-Covalent Supramolecular Stabilization for Durable CO₂ Capture from Wet Flue Gas’로 김현욱 교수를 비롯해 박영철 박사(한국에너지기술연구원), 박경민 교수(대구가톨릭대학교)가 교신저자로 참여했다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 Global C.L.E.A.N. 사업과 DACU 원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.