이산화탄소 포집 비용 낮추고 안정성 높인 고분자 분리막 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국연구재단은 서강대학교 이종석 교수 연구팀이 높은 이산화탄소 분리 성능과 뛰어난 장기 안정성을 동시에 확보한 외부 유래 미세다공성(Microporous) 고분자 분리막을 개발했다고 25일 밝혔다.

분리막은 특정 물질만을 선택적으로 투과시켜 혼합물을 분리하는 기술이다. 기존 열 기반 분리 공정보다 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있다. 이산화탄소 포집에서는 막을 이용해 이산화탄소만을 선택적으로 통과시켜 분리하는 방식을 활용한다.

그러나 기존 상용 고분자 분리막은 기체 분리 성능이 낮고 고압의 응축성 가스에 의해 선택도가 감소하거나 시간이 지남에 따른 물리적 노화로 성능이 저하된다는 한계가 있다.

연구팀은 간단한 열처리만으로 기존 소재의 고질적 한계인 투과도-선택도 간 반비례(트레이드오프) 문제를 해결하고 안정성까지 높인 새로운 개념의 외부 유래 미세다공성 고분자 분리막을 제시했다.

불소를 포함한 방향족 고분자를 열처리하면 선택적 탈불소화 현상이 일어나게 되는데, 이때 고분자 사슬에서 불소 원자가 떨어져 나가고 그 자리에 반응성이 매우 높은 라디칼이 생성된다.

라디칼은 짝지어지지 않은 홀전자를 갖는 원자나 분자를 뜻한다. 매우 불안정해 반응성이 큰 특징이 있다.

생성된 라디칼은 인접한 고분자 사슬과 새로 결합해 견고하고 영구적인 3차원 네트워크 구조를 만든다. 이렇게 형성된 미세기공 덕분에 분리막은 높은 이산화탄소 분리 성능과 뛰어난 장기 안정성을 동시에 확보할 수 있었다.

또 속이 빈 섬유 모양의 고분자 막을 의미하는 중공사막(hollow fiber) 형태로 제작하는 데도 성공해 대규모 생산과 산업 적용 가능성을 높였다.

연구팀은 이번에 규명한 구조 형성 메커니즘을 배터리와 촉매 등 기후변화 대응과 에너지 전환 시대에 필수적인 분야로 확장하는 후속 연구를 진행할 계획이다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr