대기 중 이산화탄소(CO₂)를 제거하기 위한 직접 공기 포집(DAC) 기술은 탄소중립 실현을 위해 중요한 기술로 주목받고 있습니다. 그러나 기존 DAC 기술은 높은 에너지 소비와 포집 비용으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 이에, 우리 연구팀은 100% 재생 가능 전기를 기반으로 동작하는 전기 보조 직접 공기 포집(eDAC) 기술을 개발하여 이러한 문제를 해결하고자 했습니다.

eDAC 기술은 전기화된 섬유 흡착제를 활용해 줄(Joule) 열을 생성, CO₂를 효과적으로 탈착하며, 흡착제 재생 과정에서 고효율과 안정성을 구현합니다. 재생 가능 전기의 독립적 활용이 가능하다는 점에서 기존 기술 대비 에너지 공급의 유연성과 환경적 지속 가능성이 크게 강화되었습니다. 현재 eDAC 기술은 상용화를 위한 사업화 단계에 있으며, 모듈형 설계를 통해 다양한 규모로 확장 가능한 시스템을 구축하고 있습니다. 이 기술은 탄소중립 목표를 실현하기 위한 실질적인 해결책으로, 지속 가능한 미래를 위한 핵심 역할을 수행할 것으로 기대됩니다.

분리막 공정은 기존 열 분리 방식에 비해 에너지 소비가 적고, 화학 및 제약 산업에서 크기와 형태에 따라 고순도 물질을 효율적으로 분리할 수 있는 장점이 있습니다. 그러나 현재의 기술은 용매 안정성과 구조적 내구성이 부족하며, 분자량 150-300 g/mol 범위의 용질 간 정밀 분리에 한계가 있어 활용이 제한되고 있습니다. 이를 극복하기 위해, 우리 연구실에서는 가혹한 유기용매 환경에서도 안정적으로 작동하며, 용질 간 정밀 분리 효율을 향상시키기 위한 연구를 진행하고 있습니다.

특히, 우리는 높은 선택성과 내구성을 제공하는 멤브레인을 개발하고자, 기상화학증착(iCVD) 방식을 통해 수십 나노미터 두께의 고도로 상호 연결된 구조의 유기실록산 기반 멤브레인을 제안했습니다. 이 멤브레인은 분자량 150-300 g/mol 범위에서 뛰어난 선택성을 입증했으며, 제약 산업의 의약품 혼합물 분리에서 우수한 성과를 거두어 여러 언론에 보도되었고, Nature communications에 게재되는 성과를 거두었습니다.

물은 촉매의 활성 자리를 비활성화하거나 구조를 손상시켜 반응성을 저해하는 주요 방해물로 작용합니다. 따라서 반응 환경에서 물의 출입을 효과적으로 제어하는 것은 촉매의 성능과 내구성을 향상시키는 데 매우 중요합니다. 이는 특히 물이 반응물로 사용되고 액상으로 공급되는 경우, 예를 들어 삼중수소 제거 및 중수소 생산 공정에서 이루어지는 수소-물 동위원소 교환 반응 등에서 더욱 부각됩니다. 이러한 다상 반응의 핵심은 대량의 액체 물은 차단하면서도 수증기는 원활히 확산될 수 있도록 촉매 구조를 설계하는 것입니다.

이에 따라 우리 연구실에서는 변형된 금속-유기 골격체(MOF)와 다공성 고분자가 복합된 구조를 가진 이중기능성 소수성 촉매를 개발했습니다. 이 촉매는 거시적으로 액체 물을 효과적으로 차단해 촉매 비활성화를 억제하는 동시에, 물 흡착량을 65% 이상 감소시키는 소수성을 나타내지만, 그럼에도 불구하고 수증기 확산에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었습니다.

연구실에서 개발한 이 촉매는 물이 반응물로 사용되는 다상 반응 환경에서 촉매 활성도를 크게 향상시키는 성능을 보였으며, 높은 내구성도 입증해 이중기능성 설계의 효과를 분명히 보여주었습니다. 이번 연구는 높은 학술적 가치를 인정받아 국제 학술지 Energy & Environmental Materials에 게재되었으며, 다양한 언론 매체에서 주목받으며 보도되었습니다.