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에탄이 온실가스 줄이고, 플라스틱도 만든다고요?
메탄은 이산화탄소(CO₂)보다 약 25배 강한 온실가스로, 기후변화 대응에서 가장 시급한 감축 대상 중 하나로 천연가스, 매립지 가스, 축산·폐수 처리 등 다양한 배출원에서 종종 에탄과 혼합된 형태로 존재한다. 천연가스 중 에탄도 큰 비중을 차지하며, 메탄 다음으로 최대 15%까지 포함돼 있다. 우리 연구진이 에탄이 이런 메탄을 에너지원으로 사용하는 ‘편성 메탄산화균’의 대사에 영향을 줘서 메탄을 저감시키고 바이오플라스틱 생산에 활용할 가능성을 제시했다.
우리 대학 건설및환경공학과 명재욱 교수 연구팀이 미국 스탠퍼드 대학교와의 공동연구를 통해, 천연가스의 주요 부성분인 에탄(C2H6)이 ‘편성 메탄산화균(Methylosinus trichosporium OB3b)’의 핵심 대사에 미치는 영향을 규명했다고 7일 밝혔다.
메탄산화균은 산소가 있는 조건에서 메탄을 에너지원으로 사용해 생장할 수 있는 세균으로, 이 중 ‘편성(obligate) 메탄산화균’은 메탄이나 메탄올과 같은 C1 화합물만을 성장 기질로 활용하는 것이 특징이다. 지금까지 이러한 편성 메탄산화균이 비(非)성장 기질인 에탄에 어떻게 반응하는지에 대한 연구는 이뤄지지 않았다.
연구팀은 이번 연구에서는 C2 기질인 에탄이 성장 기질로 사용되지 않음에도 불구하고, 편성 메탄산화균의 메탄 산화, 세포 성장, 생분해성 고분자인 폴리하이드록시부티레이트(Polyhydroxybutyrate, 이하 PHB) 합성 등 주요 대사 경로에 유의미한 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다.
연구팀이 다양한 메탄 및 산소 농도 조건에서 에탄을 첨가해 메탄산화균을 배양한 결과, ▲세포 성장 억제 ▲메탄 소비 감소 ▲PHB 합성 증가의 세 가지 대사 반응이 일관되게 나타났으며, 이러한 변화는 에탄 농도가 증가할수록 더욱 두드려졌다.
이번 연구에 따르면, 에탄은 단독으로는 메탄산화균에서 반응하지 않으며, 세균 역시 에탄만 주어졌을 때는 성장하지 않는다. 그러나 메탄과 함께 존재할 경우, 메탄을 산화하는 핵심 효소 ‘입자상 메탄모노옥시게네이스(pMMO)’를 통해 에탄이 함께 산화되는 ‘동시 산화(co-oxidation)’현상이 관찰됐다.
에탄이 산화되는 과정에서 생성되는 중간 대사산물 ‘아세테이트(acetate)’는 메탄산화균의 세포 성장을 억제하는 동시에, PHB(Polyhydroxybutyrate) 생산을 촉진하는 것으로 나타났다. PHB는 생분해성 바이오플라스틱의 원료로 주목받는 고분자 물질이다.
이러한 작용은 균이 처한 영양 상태에 따라 상반된 양상을 보인다. 영양이 충분한 상태에서는 에탄이 세포 성장에 부정적인 영향을 미치지만, 영양 불균형 상태에서는 오히려 PHB 축적을 유도해 긍정적인 효과를 나타낸다.
한편, 에탄을 첨가했을 때 메탄의 소비량은 감소했지만, 메탄 분해 효소인 pMMO를 구성하는 pmoA 유전자의 발현량에는 유의미한 변화가 없었다. 이는 에탄이 유전자의 전사(transcription) 수준에서는 영향을 미치지 않으며, 대신 효소의 실제 작동 능력(활성 수준)이나 전사 이후 조절 단계에서 영향을 준다는 사실을 입증한다.
연구팀은 에탄이 메탄산화균의 대사 흐름을 간접적으로 조절하는 조절자 역할을 하며, 메탄과 함께 있을 때 의도치 않은 방식으로 세포 성장과 PHB 생산에 영향을 미친다고 분석했다.
명재욱 교수는 “이번 연구는 ‘편성 메탄산화균’이 단일 기질 환경이 아닌 에탄과의 복합 기질 조건에서 어떻게 대사적으로 반응하는지를 체계적으로 규명한 최초의 사례”라며, “에탄과 같은 비성장 기질이 메탄 대사와 생분해성 고분자 생산에 미치는 영향을 밝힘으로써, 생물학적 메탄 저감 기술뿐 아니라 바이오플라스틱 생산에도 새로운 가능성을 제시한다”라고 전했다.
건설및환경공학과 박사과정 박선호 학생이 제1 저자인 이번 연구는 환경미생물학 및 생명공학 분야의 권위 있는 미국미생물학회(American Society for Microbiology) 학회지인 국제 학술지 응용 환경미생물학(Applied and Environmental Microbiology)에 7월 10일 자로 게재됐다.
※ 논문명: Non-growth substrate ethane perturbs core methanotrophy in obligate methanotroph Methylosinus trichosporium OB3b upon nutrient availability
(저자 정보 : 박선호(KAIST, 제1 저자), Chungheon Shin(Standford University), Craig S. Criddle (Standford University), 명재욱(KAIST, 교신저자) 총 4명)
※ DOI: 10.1128/aem.00969-25
한편, 이번 연구는 한국연구재단, 국토교통부, 해양수산부의 지원을 받아 수행됐다.
2025.08.07 조회수 2652 -
기후정책의 숨겨진 위험 규명, 탄소 줄고 독성물질 40% 증가 밝혀
2013년부터 시행된 미국 내 최대 규모의 온실가스 감축 정책으로 캘리포니아주의 탄소배출권 거래제도*가 있다. KAIST와 국제공동연구진은 이 제도가 예상치 못한 환경부작용을 초래하며 기업들의 독성물질 배출을 최대 40% 증가시켰다는 점을 처음으로 밝혀냈다.
*탄소배출권 거래제도(Cap and Trade Program): 온실가스 배출 총량 상한(cap)을 설정하고 이를 기업들에게 자체 감축 노력을 통해 배출을 줄이거나 거래(trade)할 수 있는 제도임
우리 대학 기술경영학부 이나래 교수가 미네소타 주립대 아심 카울(Aseem Kaul) 교수와 공동연구를 통해서, 탄소배출권 거래제도가 온실가스 감축에는 기여했지만, 예상치 못한 또 다른 환경 문제를 유발할 수 있다는 점을 실증적으로 밝혔다.
탄소배출권 거래 제도는 시장 원리를 활용해 비용 효율적으로 온실가스를 줄이고, 동시에 경제적 유인을 제공함으로써 지속적인 환경 개선을 도모하는 것이 목적으로 만들어졌다.
연구팀은 2010년부터 2018년까지 대형 제조시설에서 발생한 온실가스 및 유해물질 배출량 데이터를 분석했다. 그 결과 탄소배출권 제도의 적용을 받은 시설들이 온실가스를 줄이기 위해 유해폐기물 처리 활동을 축소하면서, 기업에서는 오히려 환경이나 인체에 유해한 납, 다이옥신, 수은 등 독성물질 배출이 최대 40%까지 증가한 사실을 확인했다.
심층 분석을 통해, 이러한 부작용이 환경 감시가 활발한 지역이거나 공정 단계에서 근본적으로 독성 물질 생성을 줄이는 환경 기술을 도입한 기업에서는 상대적으로 덜 나타났다는 사실도 밝혀냈다. 이는 기업들이 규제 비용과 외부 감시의 정도에 따라 환경 대응 전략을 선택적으로 조정하고 있음을 시사한다.
이나래 교수는 “탄소 감축 제도는 탄소의 발생량 자체를 규제하는 정책이기 때문에, 기업들이 탄소를 줄이는 데 집중하면서 상대적으로 다른 환경 부문을 희생하는 현상이 나타났다. 하지만 보다 근본적인 환경 기술을 이전에 도입한 기업들은 이러한 부작용이 덜했다”고 설명했다.
이어 “이번 연구는 기후변화 대응을 위한 정책이 또 다른 환경 문제를 초래할 수 있다는 점을 보여주며 사회적 목표 간의 상충(trade-off)을 정교하게 고려한 정책 설계가 필요하다”고 강조했다.
이번 연구는 기술경영학부 이나래 교수가 제1 저자로 참여하였고, 경영학 분야 최고 권위 학술지인 매니지먼트 사이언스(Management Science)에 4월 22일 자로 게재되었다.
※ 논문명 : Robbing Peter to Pay Paul: The Impact of California’s Cap-and-Trade Program on Toxic Emissions https://doi.org/10.1287/mnsc.2023.03560
한편, 이번 연구는 KAIST의 오픈 액세스(Open Access) 출판 지원을 통해 논문 전체를 누구나 무료로 열람할 수 있도록 하였으며, 이에 따라 연구 결과가 학계와 정책 현장에서 더욱 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
2025.05.09 조회수 4162 -
2050년 탄소중립 목표 달성을 위한 한국 산업의 온실가스 배출량 감축경로 제시
한국 산업 부문이 2050년까지 탄소중립 목표를 달성하기 위해 철강, 화학, 시멘트 등 주요 산업에서 구체적인 탈탄소화 경로를 제시한 연구가 국제 학술 저널 Journal of Cleaner Production에 발표되었다. KAIST 지속가능 녹색성장대학원 엄지용 교수가 이끄는 국제 연구팀이 발표한 이번 연구는, 향후 2035년 국가 온실가스 감축 목표(NDC) 수립에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
연구진은 Global Change Assessment Model (GCAM)[1]을 사용하여 한국 산업 부문의 온실가스 감축 전략을 분석했다. 이 연구는 철강과 화학, 시멘트 부문을 중심으로 산업별 탄소 배출 특성을 분석하고, 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술[2]과 청정에너지 기반의 수소 기술을 활용해 어떻게 각 부문이 탄소중립을 달성할 수 있을지를 구체적으로 탐색했다.
이번 연구의 제1 저자인 이한주 씨는 "본 연구는 반도체 산업을 포함한 한국의 산업 세부 업종을 학계 최초로 상세하게 모델링한 것이 특징"이라며, "철강, 석유화학, 시멘트 등 탄소집약적 산업에 맞춤형 모델을 적용해 한국 산업 부문의 탈탄소화 전략 수립에 큰 기여를 할 것"이라고 말했다.
연구 결과에 따르면, 철강, 화학, 시멘트 부문이 2050년까지 전체 산업 부문 온실가스 감축의 약 70%를 차지할 것으로 예상된다. 주요 탈탄소화 방안으로는 산업 공정의 전기화, 수소 및 바이오에너지 활용, CCS 기술 도입 등이 제시되었다. 철강 산업은 수소 기반 철강 제조 기술을 중심으로, 화학 산업은 바이오매스 기반 원료 전환을 통해 배출을 줄일 수 있다. 또한, 시멘트 산업은 재생 에너지와 전력을 활용한 생산 방식 전환을 통해 석탄 의존도를 크게 낮출 수 있다.
특히 연구는 CCS 기술과 청정에너지 기반 수소 기술이 탈탄소화에 있어 핵심적인 역할을 하지만, 두 기술의 도입이 제한될 경우 산업별로 다른 대응 전략이 필요하다는 점을 지적했다. 예를 들어, 수소 기술의 도입이 제한될 경우 철강 산업은 CCS 기술에 더 크게 의존해야 하며, CCS 기술이 제한될 경우 화학 산업은 바이오매스 활용을 강화하게 된다.
이번 연구를 총괄한 KAIST의 엄지용 교수는 "한국 산업의 탈탄소화를 위해서는 각 업종에 적합한 감축기술에 기반한 전략 수립이 필수적"이라고 강조했다. 또한, "CCS 및 수소생산 기술 등 산업부문 핵심 감축기술의 개발과 상용화를 위한 재정적 지원과 함께 보급을 가속화하기 위한 인프라 구축 및 세제 혜택이 중요하다"고 덧붙였다.
이번 연구는 한국 산업이 2050년 탄소중립을 달성하는 데 있어 중요한 이정표가 될 것이며, 각 산업 부문별 맞춤형 전략을 통해 한국이 국제 사회에서의 기후 대응 리더십을 강화할 수 있을 것으로 기대된다.
[1] GCAM은 에너지 시스템, 물, 토지 및 기후를 연결하는 글로벌 통합 평가 모델이다.
[2] CCS 기술은 산업 공정이나 발전소에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 대기로 방출되는 것을 막고, 포집한 이산화탄소를 저장하거나 활용하여 온실가스 배출을 줄이는 기술이다.
논문링크: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.143749
2024.10.10 조회수 6999 -
상온에서 쉽게 이산화탄소 실시간 분해하다
기후변화를 포함한 환경 및 에너지 문제에 직접 맞닿아 있는 온실가스 전환 기술은 주로 G7 국가를 비롯한 OECD 회원국들을 중심으로 최근 많은 논의가 이뤄지고 있으며, 대한민국 역시 2050년까지 탄소중립 글로벌 스탠다드 달성을 위해 산・학・연 및 민・관 협력 연구를 활발히 촉진하고 있다. 대기 중의 온실가스를 제거함과 동시에, 미래 청정 연료로 주목받는 메탄올 합성에 필요한 이산화탄소 분해 반응은 탄소중립 달성을 위한 산업계 패러다임 전환 대응에 필요한 핵심 기술이지만, 이산화탄소 분자가 화학적으로 매우 안정된 탓에 공업적으로 유용한 화학 물질로의 전환은 여전히 난제로 여겨진다.
우리 대학 화학과 박정영 교수 연구팀이 광주과학기술원 (GIST) 물리·광과학과 문봉진 교수 연구팀과 공동연구를 통해 초미세 계단형 구리(Cu) 촉매 표면이 이산화탄소(CO2) 분자를 보다 효과적으로 분해할 수 있음을 입증했다고 26일 밝혔다.
포집된 온실가스의 전환은 일반적으로 고온・고압의 촉매 화학반응 환경에서 이뤄지고 있다. 보통 구리 기반 촉매물질을 이용하여 이산화탄소 분자가 일산화탄소(CO) 및 산소 원자(O)로 분해할 때 수십 기압에 이르는 고압 반응환경이 요구된다. 따라서, 기존의 촉매 물질을 개선하고 최적의 이산화탄소 전환 반응을 유도함으로써 온실가스의 전환 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 촉매의 개발이 필요한 실정이다.
상압 전자터널링 현미경(AP-STM) 기술을 활용해 직접 관찰된 연구팀의 이번 연구 결과는, 머리카락 두께의 10만 분의 1 크기의 계단형 표면 구조가 온실가스의 분해 반응 향상에 크게 기여한다는 시각적 증거를 처음으로 제시했다. 연구진은 그 크기가 수 옹스트롬(Å·100억 분의 1 미터)에 불과한 이산화탄소 분자는 촉매 물질의 표면 구조에 따라서 반응 활성도가 달라질 수 있다는 점에 착안, 머리카락 두께의 10만 분의 1에 불과한 계단형 초미세 구리 표면과 반응하는 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 포착했다.
초미세 계단형 구조를 갖는 구리 원자의 표면 배열은 평평한 구조를 갖는 넓은 구리 표면 구조에 비해 훨씬 낮은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 온실가스의 분해가 상대적으로 용이하다. 연구진은 관찰 결과, 구리 촉매 표면의 계단 위치와 충돌한 이산화탄소 분자가 상온에서도 쉽게 분해됐고, 더 나아가 분해된 일산화탄소 분자와 산소 원자가 표면의 구조변화를 동시에 유도함으로써 촉매반응 경로에 영향을 끼칠 수 있음을 발견했다.
박정영 교수는 “이번 연구는 기존에 진행된 구리 표면에서의 이산화탄소 촉매 현상의 이해를 뛰어넘는 새로운 발견이며, 이를 통해 고효율 이산화탄소 촉매의 개발을 통해 인류의 가장 시급한 문제 중의 하나인 지구온난화 및 지속가능성 문제 해결에 기여할 것이다”라고 밝혔다.
한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업, 과학기술분야 기초연구사업과 한-프랑스 협력기반조성사업(STAR) 등의 지원을 받은 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications IF 17.694) 온라인판에 6월 6일 자 게재됐다. (논문제목: Revealing CO2 dissociation pathways at vicinal copper (997) interfaces)
2023.06.26 조회수 11925 -
조천식녹색교통대학원, 하이브리드 경유-전기 소형화물차 개조기술 실증
우리 대학 조천식녹색교통대학원은 미세먼지 및 온실가스 발생의 주요 원인인 경유 소형화물차(적재중량 1톤 미만)를 하이브리드 경유-전기 트럭으로 개조해 배출가스를 줄이고 연비를 개선할 수 있는 기술을 개발했으며, 이를 제주특별자치도 내 물류 배송환경에서 실증한다고 밝혔다.
하이브리드 경유-전기 트럭 개조기술은 국토교통부가 주관하고, 국토교통과학기술원이 지원하는 '택배 차량용 디젤 트럭의 하이브리드 개조기술 개발 및 실용화 연구' R&D 사업을 통해 개발됐다.
이에 조천식녹색교통대학원 장기태 교수 연구진은 운행 중인 경유 소형화물차를 개조(튜닝)하여 경유엔진과 전기모터를 혼용하는 하이브리드 기술의 개발을 완료, 지난 7월 초 한국 교통안전공단 자동차안전연구원의 안전성 확인과 승인 검사를 완료한 바 있다.
이번에 제주 지역에서 진행되는 실증은 하이브리드 경유-전기 트럭을 실제 물류배송 환경에서 운행하면서 성능 및 안전성을 검증하고, 연비 개선 및 배출가스 저감 효과를 평가하기 위하여 수행된다. 이번 실증에서는 하이브리드 경유-전기트럭 4대가 제주특별자치도 내 물류 기업인 JBL 로지스틱스의 실제 물류 운송에 투입되어 7월 14일부터 올해 말까지 약 6개월간 운행될 예정이다.
우리 대학이 제작한 하이브리드 경유-전기트럭은 JBL로지스틱스에서 운영하는 실제 배송경로의 화물운송에 투입되며, 차량에 부착된 모니터링 장치에서 수집된 빅데이터를 분석하여 효과를 검증한다. 또한 실증의 안전성 확보를 위하여 제주혁신성장센터 내 친환경스마트자동차 연구센터에 실시간 관제시스템을 구축하여 안전을 상시 모니터링하고, 지역 정비업체와 협력하여 차량 관리를 진행할 예정이다.
연구책임자인 장기태 교수는 “미세먼지 저감을 통한 대기환경 개선과 연비 개선을 통한 물류비용 감소를 기대할 수 있는 현실적인 친환경 자동차 개조기술의 실증을 통해 관련 기술의 신뢰성과 현실 적용성이 확인된다면 향후 그 활용성과 사업성이 기대된다”고 밝혔다. 이어 “본 기술은 운행 중인 경유 트럭을 하이브리드 경유-전기 트럭으로 개조(튜닝)하는 모듈화된 신기술로 자동차종합정비업 또는 소형자동차정비업에서도 개조를 수행할 수 있어 향후 소규모 지역기업의 신사업분야로 성장할 수 있는 기술”이라고 덧붙였다.
2020.07.13 조회수 21674 -
원자 틈 이용해 이산화탄소의 연료 변환 성공
신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 성균관대, UNIST, 부산대, 미국 버클리대학, 칼텍과의 공동 연구를 통해 구리 입자 내 원자의 틈을 제어하는 기술을 적용해 온실가스인 이산화탄소를 에틸렌 등의 고부가 연료로 변환할 수 있는 전기화학촉매 소재기술을 개발했다.
이는 이산화탄소로부터 에틸렌 생성비율을 최고 80%까지 높이는 기술로, 연구팀은 기존 나노입자기반 촉매의 한계를 뛰어넘기 위해 원자수준의 촉매제어 기술을 도입했다. 이번 연구결과는 기존 촉매소재 설계에서 제시되지 않은 ‘원자 틈’을 처음으로 촉매설계의 주요인자로 적용해 산업적 가치가 높은 에틸렌의 생산성을 획기적으로 높였다. 동시에 천연가스에서 손쉽게 얻을 수 있는 메탄의 생성을 실험적으로 완전히 억제했으며, 양자역학 계산 기술을 이용해 원자 틈의 촉매반응 활성 원리를 이론적으로 규명했다.
이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials)’ 3월 10일자에 표지논문으로 게재 됐다. (논문명: Atomic-Scale Spacing between Copper Facets for the Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide)
전기화학적 촉매반응을 활용한 이산화탄소 변환 기술은 지구 온난화를 일으키는 이산화탄소를 저감하는 대표 기술 중의 하나로, 효율적인 이산화탄소 전환 촉매기술의 개발을 통해 대기 중의 이산화탄소 농도를 줄이면서 산업에 유용한 연료나 화합물을 생산하는 기술이다. 이산화탄소 전환을 위해 다양한 전이금속 기반의 전기화학 촉매가 개발되고 있으나, 에틸렌과 같은 탄화수소 계열의 연료를 생산할 수 있는 원소는 구리가 유일하다.
하지만 일반적으로 구리 촉매는 반응 속도 및 생성물의 선택성이 높지 않아 이산화탄소 저감의 실효성과 생성물의 경제성이 떨어졌다. 이를 해결하기 위해 구리촉매의 특성을 개선하려는 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
연구팀은 산화된 구리의 환원반응을 전기화학적으로 미세하게 제어해 구리 결정면 사이에 1나노미터 미만의 좁은 틈을 생성했다. 이 원자 틈에서 이산화탄소 환원반응 중간생성물의 촉매표면 흡착에너지를 최적화해 촉매반응의 활성을 극대화했다. 동시에 탄소-탄소 결합을 유도해 에틸렌과 같은 고부가 화합물이 효율적으로 생산되는 것을 규명했다. 연구에서 제안한 신규 활성인자인 원자 틈 원리는 다양한 전기화학 촉매 연구 분야로 확장할 수 있다는 의의를 갖는다.
강정구 교수는 “구리 기반 촉매소재에 간단한 공정 처리기술을 도입해 온실가스인 이산화탄소를 전환함으로써 고부가 화합물인 에틸렌을 효율적으로 생산하는 소재기술이다”라며, “기후변화 및 온실가스 문제 대응을 위한 핵심 대안기술이 될 수 있을 것으로 전망한다”라고 말했다.
이번 연구는 강정구 교수, 성균관대학교 정형모 교수, UNIST 권영국 교수, 부산대 김광호 교수, 그리고 미국 버클리, 칼텍 연구팀과 공동연구를 통해서 이뤄졌으며, 과학기술정보통신부의 글로벌프론티어사업, 신진연구자지원사업 및 차세대탄소자원화사업단의 지원을 받아 수행됐다.
2020.03.16 조회수 25727 -
온실가스 감소·수소 생산성 높일 촉매 개발
우리 대학 생명화학공학과 자패르 야부즈(Cafer T. Yavuz) 교수 연구팀이 장시간 사용해도 코킹(coking)과 소결(sintering) 현상이 발생하지 않는 메탄의 건식 개질 반응(dry reforming of methane) 촉매를 개발했다.
연구팀의 기술은 온실가스의 가장 큰 부분을 차지하는 이산화탄소와 메탄을 이용해 합성가스를 생산할 수 있는 기술로, 지구온난화 해결에 이바지할 것으로 기대된다. 또한, 개발된 촉매는 비활성화 없이 안정적으로 합성가스를 생산할 수 있어 수소 생산성 향상 및 합성가스 생산비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다. 야부즈 교수 연구팀은 단결정 마그네슘 산화물의 꼭짓점에서 탄소가 자라는 현상을 발견하고 이를 막기 위해 니켈 기반의 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자를 올리는 방법을 설계했다. 이러한 기술은 향후 다른 개질 반응 및 기존의 수소 생산반응인 메탄의 습식 개질 반응에도 직접 적용이 가능할 것으로 기대된다.
송영동 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 (Science)’ 2월 14일 자에 게재됐다.(논문명 : Dry reforming of methane by stable Ni-Mo nanocatalysts on single crystalline MgO)
메탄의 건식 개질 반응은 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 동시에 감축할 수 있으면서도 화학산업의 기반이 되는 합성가스를 생산할 수 있어 큰 관심을 받고 있다. 하지만 반응이 진행될수록 촉매의 표면에 탄소가 쌓여 반응성을 낮추는 코킹(coking) 현상과 나노입자가 서로 뭉치게 되는 소결(sintering) 현상 때문에 실제 산업에서 적용에 큰 어려움이 있다.
연구팀은 문제를 해결하기 위해 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자를 단결정의 마그네슘 산화물 지지체에 담지했다. 이렇게 제조된 니켈-몰리브데넘 합금 나노입자 촉매는 800도로 온도를 높이는 과정에서 단결정 지지체의 꼭짓점을 막아 안정되는 현상을 보였다. 이는 충분한 열에너지가 공급됐을 때 니켈-몰리브데넘 나노입자가 지지체의 표면을 이동하다가 열역학적으로 불안정한 꼭짓점을 덮은 후 안정화되는 원리임을 규명했다.
연구팀은 개발한 촉매를 온도변화에 민감한 메탄의 건식 개질 반응에 적용하기 위해 온도를 변화시키며 활성도를 측정했다. 그 결과 800도에서 700도까지의 변화 구간에서도 활성도가 안정적인 것으로 나타났으며, 반응 중간에 온도를 상온으로 낮추었다가 재가동해도 활성도에 영향을 주지 않음을 확인했다. 나아가 실제 산업에서 사용하는 반응조건에 적용하기 위해 고압 조건에서 측정한 결과 15바(bar)의 압력에서도 안정적인 것으로 나타났다. 또한, 장시간 안정성 역시 800도에서 850시간 동안 사용 후에도 코킹 및 소결 현상이 발생하지 않는 것으로 확인됐다.
연구팀이 개발한 촉매는 메탄의 건식 개질 반응에 적용할 수 있어 온실가스 감축을 통한 환경문제 해결에 큰 도움을 줄 수 있다. 또한, 현재 수소생산의 90% 이상을 차지하는 메탄의 습식 개질 반응에도 직접 적용이 가능하다. 이를 통해 합성가스 생산비용 절감, 니켈 기반의 저렴한 촉매생산, 성능 강화 등에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
1 저자인 송영동 박사과정은 “그동안 큰 문제였던 코킹 현상을 값비싼 귀금속이나 복잡한 제조과정 없이 해결할 수 있는 촉매를 개발했다”라며 “단결정 위에서 나노입자가 안정화되는 기술을 다른 지지체와 금속 나노입자를 이용해 적용하면 다양한 문제를 해결할 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 사우디 아람코-KAIST CO2 매니지먼트 센터 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
2020.02.18 조회수 21762 -
이상엽 특훈교수, 바이오 기반 화학물질 합성 지도 완성
〈 이 상 엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 바이오매스인 미생물로부터 화학제품을 생산하는 경로를 총정리한 ‘바이오 기반 화학물질 합성 지도’를 개발, 완성했다.
연구팀은 화학물질을 생산하는데 필요한 바이오 및 화학 반응들에 대한 정보를 총망라해 생명공학자들이 쉽게 활용할 수 있게끔 지도 형태로 정리하고, 이에 대한 분석을 수행했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 표지논문으로 1월 15일 게재됐다.
석유로부터 화학제품을 생산하는 과정에서 온실가스를 배출하기 때문에 지구온난화 등 글로벌 기후변화를 유발하고 있다. 이에 세계는 친환경적 방법으로 화학제품을 생산하기 위해 미생물을 활용한 화학물질 생산기술 개발에 주력하고 있다.
미생물과 같은 바이오매스 원료에 생물공학적 또는 화학적 기술을 적용해 화학원료·연료 등 화학제품을 생산하는 공정을 ‘바이오 리파이너리(Bio-Refinery)’라 한다.
바이오 리파이너리의 생물공학적 방법 중 ‘시스템 대사공학’만을 100% 적용해 화학물질을 생산하는 사례가 점차 늘고 있지만, 생물공학적 방법과 화학반응의 통합공정이나 화학공정만을 활용하는 것이 더욱 효율적인 경우도 많다.
이번에 구축한 ‘바이오 기반 화학물질 합성 지도’는 화학물질 생산을 위한 생물공학적·화학적 반응 전체에 대해 최적의 합성 경로를 구축한 것으로, 앞으로 바이오 기반 화학제품 생산 연구에 귀중한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 보인다.
특히 중요성을 인정받아 네이처 카탈리시스는 ‘바이오 기반 화학물질 합성 지도’를 포스터로 제작해 관련 분야의 산업계, 연구계에서 활용할 수 있도록 전 세계에 배포할 계획이다.
이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 지도는 앞으로 시스템 대사공학이 나아가야 할 방향과 아이디어의 청사진을 제시해 준다는 점에서 의미가 있다”라며, “이는 향후 친환경 화학은 물론 의료·식품·화장품 분야 등 다양한 산업에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.”라고 밝혔다.
이번 연구는 과기정통부 ‘기후변화대응기술개발사업’의 ‘바이오 리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발’ 과제 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 바이오 기반 화학물질 합성 지도
그림2. 네이처 카탈리시스 표지논문 디자인
2019.01.15 조회수 21088 -
이산화탄소 포집저장기술 상용화 속도낸다
- 이산화탄소의 선박 수송 시 발생하는 증발가스 문제 해법 제시-- 원유값 등 다양한 상황에 따른 최적의 재액화율 이론 정립해 -
지구 온난화의 주범이 되는 이산화탄소를 포집한 후 땅속에 주입해 영구 저장하는 기술이 전 세계적으로 관심을 받고 있는 가운데, KAIST 연구진이 이산화탄소의 선박 수송을 위한 최적의 방법을 제시했다.
우리 학교는 해양시스템공학과 장대준 교수 연구팀이 포집된 이산화탄소의 선박 운송 중에 발생하는 증발가스의 최적화된 처리를 위한 해법을 제시했다.
이로써 이산화탄소를 포집하는 기술과 유전에 저장하는 기술 뿐 아니라 선박 수송에 대한 해법도 제시돼, 포집-수송-저장의 삼박자를 갖춰 이산화탄소 포집저장 기술이 곧 상용화될 것으로 전망된다.
최근 지구온난화에 의한 자연재해 문제가 심각해지면서 유럽을 중심으로 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 연구가 확산되고 있다.
이를 해결하기 위해 발전소와 공장 등으로부터 발생하는 이산화탄소를 포집해 지중에 다시 영구적으로 저장하는 기술인 ‘이산화탄소 포집 및 저장(CCS, Carbon Capture and Storage)‘이 대안으로서 각광받고 있다.
우리나라는 2013년부터 포스트 교토의정서가 발효될 경우 이산화탄소 감축 의무를 면하기 어려울 전망이다. 정부는 이에 따라 오는 2030년까지 3200만 톤(전체 감축 전망치의 10%)의 이산화탄소를 감축한다는 목표를 세우고 있고 KAIST 등 국내 연구팀들도 이를 위한 기술 개발 및 실용화를 위한 연구에 속도를 내고 있다.
장대준 교수 연구팀은 지난 2009년 ‘이산화탄소 해상수송 및 주입터미널 프로젝트’를 통해 지중 저장 원천기술을 개발하는데 성공했고 이어, 이번에 액상 이산화탄소 운반선상에서 발생하는 증발가스의 위험성을 인식하고 이를 최적화하는 해법을 제시했다.
장 교수 연구팀은 선박을 이용해 액화 이산화탄소를 운송할 때 저온(-51℃)・고압(6.5bar)의 상태로 운반돼야 하는 점에 주목했다.
상온보다 낮은 온도로 운반되는 액화 이산화탄소 저장용기는 대기의 열 침투로 증발가스가 발생해 내부 압력이 높아져 용기가 파괴될 수 있기 때문이다.
연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 압력용기에서 기화된 이산화탄소 가스를 재 액화 처리해 다시 압력용기로 주입하는 방법을 제시하고 이론적으로 모델링했다.
또 원유값, 탄소세, 원유증진회수를 위한 탄소거래비용 등 CCS 기술 도입을 위해 핵심적으로 고려될 사항을 바탕으로, 선박의 증발 가스 재액화율 결정을 위한 최적화된 해법을 고안해 냈다.
장대준 교수는 “저장된 이산화탄소가 해양에서 누출되면 대형사고로 번지게 된다” 며 “저장된 이산화탄소의 압력 거동을 예측하고 발생한 증발가스의 적절한 처리방안을 만드는 것이 상용화를 위한 필수적인 과정”이라고 말했다.
아울러 “이번 연구에서 정립된 이론은 CCS 상용화를 위한 시스템의 최적화와 액상 이산화탄소 운반 선박의 개발에 활용될 것으로 기대 된다”고 강조했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 해양시스템공학과 장대준 교수(제1저자 추봉식 박사과정 학생)가 교육과학기술부의 세계수준 연구중심대학(World Class University)과 국토해양부의 지원을 받아 수행했다.
장 교수 연구팀의 이 연구 성과는 환경 분야에서 세계적 학술지로 꼽히는 ‘국제 온실가스 제어(International Journal of Greenhouse Gas Control)지’ 6월 12일자 온라인 판에 실렸다.
그림 1. 저장된 액화 화물에서의 BOG 발생 및 그 영향
그림 2. 증발가스 생성으로 인한 저장용기 내부 압력 변화 및 열팽창으로 인한 액위 변화
그림 3. 누출 시 속도 및 온도 변화에 의한 주변 구조 및 선체에 미치는 영향
그림 4. 누출 시 이산화탄소의 거동 관측 실험
그림 5. CCS-EOR 병행 기술에서 증발가스 재액화가 미치는 영향
2012.06.27 조회수 24228 -
온라인 전기자동차 기술, 첫 해외수출
- 미국으로부터 기술력 인정받아 상용화 박차 -- 미연방교통청과 맥앨런市에서 총 210만 달러(약 24억원) 지원키로 확정 -
우리 학교가 개발한 온라인 전기자동차(OLEV) 기술이 미국에서 인정받아 사상 처음으로 해외시장에 수출된다.
미국 텍사스주 맥앨런市는 최근 시내버스 노선 중 10마일(약 16km)구간노선에 3대의 온라인 전기버스를 KAIST 자회사로서 미주지역 온라인 전기차 관련 기술사업화를 담당하고 있는 올리브 테크놀로지社(대표 이희규)로부터 납품받아 2013년 초부터 운행할 계획이다.
미국 매사추세츠주에 소재한 올리브 테크놀로지社는 온라인 전기자동차 상용화를 위해 무선전력 전송기술을 KAIST로부터 이전받아 올 3월 설립된 벤처기업으로 KAIST가 30%의 지분을 보유하고 있다.
이 회사는 온라인 전기자동차의 미주지역 기술사업화 및 상용화와 관련한 독점적인 라이센스를 갖고 있다.
국내에선 올 7월부터 서울특별시 지원을 받아 서울대공원에서 온라인 전기열차 3대가 운영되고 있는데 해외 공공기관이 상용화를 목적으로 추진 중인 시범사업에 KAIST가 개발한 온라인 전기차 관련기술이 적용되는 것은 이번이 처음이다.
맥앨런市가 시내버스 노선에 온라인 전기버스를 투입키로 결정한 것은 미연방교통청의 전폭적인 지원 때문이다.
미연방교통청은 2009년부터 매년 시행 중인 ‘지속가능성 연구프로젝트’를 통해 미국 전역의 연구기관, 정부 및 공공단체에서 시행하고 있는 청정대체에너지연구와 미래교통기술개발 시행사업을 지원하고 있다.
2011년 프로젝트 공모에는 266개의 연구제안서가 제출됐는데 이 가운데 46개 사업이 선정돼 총 1,300억원(1.12억달러) 규모의 예산을 지원받는다.
올리브 테크놀로지社와 미국 맥앨런市는 공동으로 온라인 전기버스를 개발하는 연구 제안서를 올 8월 미연방교통청에 제출했으며 이후 심사를 거쳐 약 22억원(190만달러)의 연구자금 지원을 받는 시행사업자로 지난 11월 17일 최종 선정됐다.
아울러 이 연구자금 외에도 맥앨런市는 온라인 전기버스사업에 약 2.4억원(21만 1천달러)을 투자하기로 결정, 동 사업에는 모두 24.4억원(211만 1천달러)의 자금이 투입된다.
맥앨런市 관계자는 “KAIST가 개발한 무선충전기술을 이용한 버스를 운행하게 되면 에너지 소비는 물론 온실가스 배출을 줄일 수 있다. 올리브는 기존의 디젤버스를 전기버스로 전환시킬 수 있는 비용효율이 높은 기술”이라며, “도로 주행 중 충전이 가능하기 때문에 전기자동차의 상용화에도 도움을 줄 수 있다”고 말했다.
맥앨런市는 텍사스 주 남쪽 맨 끝자락에 위치한 도시로 약 13만 명(2010년 인구센서스조사 기준)의 시민이 거주하고 있다.
한편, KAIST OLEV는 2010년 미국 시사주간지인 타임(Time)지가 꼽은 세계 50대 발명품 가운데 하나로 선정된 바 있다.
2011.12.01 조회수 16220 -
EEWS아이디어 사업화를 위한 업무협약
- DFJ Athena LLC, 일신창업투자와 업무 협약식 가져 -
- 녹색성장 EEWS사업기획 경진대회 개최 -
우리학교는 서남표 총장, 정회훈 DFJ Athena LLC 대표파트너, 고정석 일신창업투자 대표이사가 참석한 가운데 지난 30일 오후 6시 조선호텔 비즈니스 센터에서 "녹색기술과 투자의 만남" EEWS사업기획 경진대회 연구결과의 사업화를 위한 업무 협약식을 가졌다고 2일 밝혔다.
이를 위해 두 기관이 공동으로 개최하고 EEWS기획단과 EEWS최고전략과정이 주관하는 ‘제1차 EEWS사업기획 경진대회’를 갖는다. 참가대상은 KAIST 교수학생, 졸업생 등이다.
공모주제는 EEWS와 관련한 모든 주제로, 신재생에너지, 에너지 효율 제고, 온실가스 감축, 해수의 담수화 및 폐수처리 시설 등을 사업범위로 한 모든 사업계획이다.
이번 경진대회의 수상한 우수한 기획 제안서는 양 투자기관에서 창업투자를 받을 수 있다.
1차 제안서가 통과된 모든 팀에게는 100만원의 연구경비를 지급하며, 최우수상 두 팀에게는 KAIST총장상과 상금 1,000만원을 각각 수여한다.
또한, 우수상과 장려상 각 두 팀씩을 선발해 EEWS기획단장상과 우수상에는 500만원, 장려상에는 100만원의 상금을 각각 지급한다.
우리학교는 본 경진대회를 통해 연구결과를 사업화, 대한민국의 녹색성장의 전초기지가 될 것으로 기대하고 있다.
EEWS(Energy, Environment, Water, and Sustainability)란 에너지 고갈, 환경오염, 물부족 및 지속성장 가능성 등 21세기 인류가 직면하고 있는 글로벌 이슈의 해결을 위하여 카이스트가 추진하고 있는 녹색성장 프로젝트다.
<사진설명>
(왼쪽부터) 이재규 KAIST EEWS기획단장, 정회훈 DFJ Athena LLC 대표파트너, 서남표 KAIST총장, 고정석 일신창업투자 대표이사가 업무협약식을 갖고 기념촬영을 하고 있다.
2010.08.02 조회수 20311