이산화탄소와 플라스틱 쓰레기를 한번에 재활용? [고든 정의 TECH+]

이산화탄소는 대기 농도가 400ppm을 약간 넘는 정도로 산소나 질소에 비하면 그 양이 미미한 수준입니다. 하지만 강한 온실 효과를 통해 지구 표면 온도와 기후에 큰 영향을 미칩니다. 그 때문에 마치 악당처럼 묘사되기도 하지만, 만약 이산화탄소의 온실 효과가 없다면 지구 표면 온도는 영하 18도까지 떨어질 수 있습니다. 사실은 우리에게 중요한 기체이지만, 인류가 짧은 시간 동안 너무 많은 양을 배출해서 문제가 되는 것입니다.

온갖 환경 오염의 주범이 되는 플라스틱 역시 우리에게 고마운 물질입니다. 가볍고 투명하며 쉽게 변질하지 않는 성질 덕분에 우리의 일상생활에 사용할 편리한 물건들을 만드는 데 없어서는 안 될 소중한 존재입니다. 다만 우리가 매일 버리는 플라스틱 쓰레기들이 재활용하기도 어렵고 썩지도 않아 심각한 환경 문제가 되고 있는 건 부인할 수 없는 사실입니다.

따라서 과학자들은 이산화탄소를 다른 유용한 물질로 바꾸고 플라스틱을 다른 형태로 분해해서 재활용하기 위해 연구를 계속하고 있습니다. 모티어 라하만 박사가 이끄는 케임브리지 대학의 연구팀은 이 두 가지 문제를 한 번에 해결할 수 있는 연구를 진행하고 있습니다.

이들의 목표는 이산화탄소를 일산화탄소와 수소의 합성가스(syngas)로 만들어 다른 유용한 화학물질을 합성하거나 혹은 수소를 추출해 청정에너지로 사용하는 것입니다. 동시에 플라스틱은 더 단순한 유기물로 분해해서 산업용 원료로 업사이클링합니다. 물로 이산화탄소와 플라스틱 쓰레기가 저절로 그렇게 될 순 없기 때문에 태양 에너지와 촉매를 이용해서 반응을 유도합니다.

연구팀은 6개월 전에도 두 개의 반응 용기와 전극이 있는 이산화탄소 – 플라스틱 쓰레기 태양 반응로를 만들었습니다. 비결은 빛, 전기, 그리고 화학 촉매를 동시에 사용하는 것입니다. 페로브스카이트 기반의 광음극(photocathode)은 코발트 화합물과 구리 - 인듐 촉매를 이용해 이산화탄소를 합성가스로 만들고 구리-백금 소재의 양극은 가장 흔한 플라스틱 쓰레기인 PET 소재의 플라스틱을 글리콜산 같은 더 단순하고 화학 공업 재료로 사용할 수 있는 소재로 만듭니다.

하지만 이때는 이미 순수하게 농축된 100% 이산화탄소만을 사용했습니다. 연구팀은 좀 더 현실에 가까운 시스템을 만들기 위해 공기를 펌프로 주입해 알칼리 용액에 넣은 후 이산화탄소만 추출했습니다. 그리고 이 용액을 같은 광전자화학 반응 시스템에 넣고 플라스틱 쓰레기 추출물과 함께 반응해 합성가스와 클리콜산을 만들었습니다.

흥미로운 사실은 농축 이산화탄소를 사용했을 때 일산화탄소/수소 비율이 1:2 정도인데 공기를 이용하면 1:30으로 수소가 크게 늘어난다는 것입니다. 상황에 맞춰 농도를 조절하면 원하는 물질을 더 많이 생산할 수 있을 것으로 기대됩니다. 다만 아직 기초 연구 단계로 상업적인 수준까지 진행하기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다.

플라스틱 쓰레기를 화학적으로 더 단순한 원료 물질로 만들어 업사이클링하고 이산화탄소는 합성가스나 아니면 더 복잡한 화학물질로 만드는 연구가 한창입니다. 이 둘을 동시에 해결하려는 접근법이 더 성공적일지 아니면 다른 대안적인 기술이 성공적일지 미래가 주목됩니다.