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Cof-999
[넷제로뉴스] 버클리 캘리포니아 대학교의 화학자들로 구성된 연구팀이 탄소 포집 및 저장DAC 기술의 중요한 진전을 가져올 수 있는 획기적인 신소재 개발에 관한 연구논문(Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks)을 10월 23일(현지시간) '네이처 저널'에 발표해 주목을 끌고 있습니다.

탄소 포집 및 저장 기술은 특히 대기 중 이산화탄소 농도가 계속 증가함에 따라 기후 변화 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 현재의 탄소 포집 방법은 발전소와 같은 집중된 배출원에서 발생하는 탄소를 효율적으로 포집할 수 있지만, 농도가 훨씬 낮은 대기에서 이산화탄소를 포집하는 것은 쉽지 않은 과제가 되고 있습니다.

하지만 과학자들은 산업 혁명 이전 수준보다 50%나 높은 426ppm에 이른 대기 중 이산화탄소 증가를 되돌리기 위해서는 직접 공기 포집(DAC)이 필수적이라고 입을 모으고 있습니다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)에 따르면, 산업화 이전 평균보다 기온 상승을 1.5°C로 제한하는 글로벌 목표를 달성하기 위해서는 DAC가 필수적입니다.


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UC 버클리의 화학자들은 대기 중 이산화탄소를 직접 포집할 수 있는 획기적인 소재인 'COF-999'를 개발했습니다.

공유 유기 프레임워크(COF. covalent organic framework)로 알려진 이 다공성 물질은 물이나 기타 오염 물질로 인해 분해되지 않고 주변 공기에서 이산화탄소를 포집할 수 있습니다.

이 물질은 200g만으로 연간 20kg의 CO2를 포집할 수 있으며, 이는 성숙한 나무 한 그루가 연간 흡수하는 탄소량과 동일합니다.

UC 버클리의 오마르 야기(Omar Yaghi) 교수와 그의 연구팀이 개발한  COF-999는 기존의 탄소 포집 기술이 직면한 여러 문제를 해결할 수 있다는 점에서 주목됩니다. 

야기 교수는 “이 물질을 튜브에 넣고 버클리 대학 주변의 공기를 통과시켜 시험해본 결과, 공기 중 CO2를 완전히 제거할 수 있었다"고 설명했습니다.


◇금속-유기 골격체 또는 MOF라고 불리는 다공성 구조의 분자 모델을 들고 있는 오마르 야기Omar Yaghi 교수. COF는 내부 구조는 비슷하지만 금속 원자가 아닌 강력한 공유 결합으로 서로 결합되어 있습니다. (출처: 브리트니 호세아-스몰Brittany Hosea-Small, UC 버클리)
COF-999는 공기 중 CO2를 포집하는 동안 물이나 기타 오염 물질에 의해 분해되지 않아 기존의 MOF(Metal-Organic Frameworks) 기반 탄소 포집 물질이 가지고 있던 한계를 극복할 수 있을 것으로 예상되고 있습니다. 

MOF는 그동안 많은 연구를 통해 대기 중 CO2 포집에 사용되었지만, 반복적인 사용 후 성능이 저하되는 문제가 있었습니다. COF-999는 이를 해결하기 위해 강력한 탄소-탄소 및 탄소-질소 결합으로 구성되어 있으며, CO2와 선택적으로 결합하는 아민(amine)으로 내부를 채운 구조를 갖추고 있습니다.


◇COF-999의 설계 전략 및 합성. (출처: Nature)

◇이산화탄소를 포집하는 새로운 다공성 물질인 공유 유기 프레임워크(COF)는 주변 공기에서 발견되는 농도의 이산화탄소 분자(파란색과 주황색 공)를 효율적으로 결합하는 폴리아민으로 장식된 육각형 채널을 가지고 있습니다. (출처: 차오양 자오Chaoyang Zhao)
COF-999는 400ppm 농도의 CO2가 포함된 공기를 실온과 50% 습도에서 18분 만에 절반 용량까지 포집하고, 2시간 내에 완전히 포집할 수 있습니다. 

또한 60°C(140°F)에서 CO2를 방출하여 기존의 DAC 시스템보다 훨씬 에너지 효율적입니다. 이는 기존의 탄소 포집 방법인 액체 아민을 사용해 CO2를 포집하는 방식보다 에너지 소모가 적습니다.

COF-999는 100번의 흡착 및 탈착 사이클을 거치면서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동하며, 다른 탄소 포집 물질과 비교해도 뛰어난 성능을 가지고 있는 것으로 나타났습니다. 

야기 교수는 "CO2를 공기에서 포집하는 것은 매우 어려운 문제입니다. 이 과정에서 CO2를 선택적으로 포집하고, 물과 산화에 대한 안정성을 유지하면서도 재활용 가능하고 대량 생산이 가능한 물질이 필요합니다. COF-999는 이 모든 요구를 충족하는 물질입니다"라고 설명했습니다.


◇100밀리그램의 COF-999 테스트 샘플을 들고 있는 UC 버클리 대학원생 저우 지후이. 이 샘플을 뒤에 있는 분석기에 넣어 주변 공기와 유사한 공기 혼합물에서 이산화탄소 흡착을 측정했습니다. (출처: 로버트 샌더스, UC 버클리)
연구의 주요 저자인 UC 버클리 대학원생 저우 지후이(Zihui Zhou)는 COF-999의 탄소 흡수 능력을 성숙한 나무와 비교하며, DAC 기술이 대기 중 CO2 농도를 과거 수준으로 되돌리는 데 중요한 역할을 할 수 있다고 강조했습니다. 그는 “대기 중 CO2 농도를 100년 전으로 되돌리기 위해서는 DAC가 필수적입니다”라고 말했습니다.

현재 대기 중 CO2 농도는 420ppm을 넘었으며, 전문가들은 이 수치가 500~550ppm까지 증가할 수 있다고 경고하고 있습니다. 이를 방지하기 위해서는 대기 중 CO2 농도를 400ppm 이하로 낮추는 DAC 시스템의 역할이 더욱 중요해지고 있습니다.

COF-999는 강력한 공유 결합(탄소-탄소 및 탄소-질소 결합)으로 구성되어 있어 높은 내구성과 안정성을 유지합니다. 또한, CO2와 선택적으로 결합할 수 있는 아민을 포함하고 있어 매우 높은 효율성을 자랑합니다. 이는 기존 MOF 기반 시스템보다 더 많은 CO2를 포집할 수 있으며, 반복적인 사용 후에도 성능 저하 없이 안정적으로 작동하는 것으로 밝혀졌습니다.

야기 교수는 인공지능(AI)을 활용해 COF와 MOF를 더 발전시킬 계획을 가지고 있습니다. 그는 "AI를 통해 최적의 화학 조건을 예측하여 더 나은 탄소 포집 물질을 개발할 수 있을 것"이라고 말했습니다. 

COF-999와 같은 혁신적인 물질은 대기 중 CO2 농도를 낮추고, 넷제로 목표를 달성하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있습니다. 


탄소흡착 게임체인저 나타남