[탄소중립] 탄소 포집·활용(CCUS) 신소재 – 나노구조 흡착제와 촉매 기술

온실가스 저감의 핵심, 새로운 물질이 열쇠가 된다

 

탄소중립의 현실적 해법은 ‘포집과 재활용’

기후위기 시대, 모든 산업이 “탄소중립(Net Zero)”을 외치지만

현실적으로 탄소 배출을 완전히 없애는 것은 불가능에 가깝습니다.

 

그래서 등장한 전략이 바로 CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage),

즉 탄소 포집·활용·저장 기술입니다.

 

이 기술은 배출된 CO₂를 공기 중이나 산업 설비에서 포집해

지하에 저장하거나, 다시 연료·화학소재로 재활용하는 방식입니다.

 

2025년 현재, 전 세계적으로 CCUS는 탄소중립을 위한 가장 실질적 기술 축으로 주목받고 있습니다.

하지만 CCUS의 경제성과 효율을 좌우하는 핵심은 단 하나 —

바로 “신소재(Material)”, 특히 나노구조 흡착제와 촉매 기술입니다.

 

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CCUS란 무엇인가 – 기술 개념과 3대 분류

CCUS는 탄소 포집(Capture), 활용(Utilization), 저장(Storage)의 세 가지 기술이 통합된 시스템입니다.

 

Carbon Capture (탄소 포집)

• 배출원(발전소, 제철소, 시멘트 공장 등) 또는 대기 중에서 CO₂를 직접 포집
• 주로 흡수제(amine), 흡착제(zeolite, MOF), 멤브레인 방식 사용

Carbon Utilization (탄소 활용)

• 포집된 CO₂를 메탄올, 폴리머, 인조연료, 콘크리트 원료 등으로 전환

Carbon Storage (탄소 저장)

• 압축하여 지하 암반층, 염수층, 고갈된 유전 등에 영구 저장

 

이 중에서도 ‘포집’ 단계의 효율 향상이 가장 중요한 과제이며,

이 영역에서 신소재 혁신이 폭발적으로 일어나고 있습니다.

 

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기존 CO₂ 포집 기술의 한계

현재 상용화된 대표적인 포집 방식은 MEA(모노에탄올아민) 용액을 사용하는 습식 흡수법입니다.

하지만 다음과 같은 문제가 있습니다.

• 에너지 소모량이 많음 : 흡수제 재생에 고온 스팀이 필요 (총에너지의 30~40% 소비)
• 흡수제 열화 및 부식 문제
• 대규모 설비·비용 부담

이 때문에, 기존 화학적 흡수 방식 대신

물리적 흡착 기반 신소재(CCUS 흡착제)가 차세대 대안으로 주목받고 있습니다.

 

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차세대 흡착 소재 – 나노구조의 힘

CO₂ 분자를 선택적으로 흡착하려면

물질 내부의 미세한 기공(나노공극)이 중요합니다.

 

즉, “나노구조를 어떻게 설계하느냐”가 포집 효율을 결정합니다.

(1) 다공성 탄소(Porous Carbon)

• 활성탄, 탄소 나노튜브(CNT), 그래핀 기반
• 장점 : 값이 싸고 안정성 우수
• 단점 : 선택성이 낮음 (CO₂ 외의 기체도 함께 흡착)

(2) 금속-유기 골격체(MOF, Metal–Organic Framework)

• 금속 이온 + 유기 리간드로 구성된 나노다공성 결정체
• CO₂ 흡착량이 기존 대비 5~10배 이상 높음
• 예 : MOF-74, HKUST-1, UiO-66

MOF는 1g의 물질이 축구장 10개 면적의 표면적을 가지며,

온도·압력 변화에도 흡착 성능을 유지할 수 있습니다.

(3) 제올라이트(Zeolite)

• 실리카·알루미나 기반 결정성 다공체
• 산업적 안정성 높아 대규모 플랜트에 적용 중
• 단점 : 흡착량이 MOF보다 낮음

(4) 하이브리드 구조체 (MOF+Graphene, MOF+CNT)

• MOF의 선택성과 CNT의 전도성을 결합
• 전기·열 자극을 통해 탈착 제어 가능 (저에너지 재생 기술)

요약하자면, “MOF 및 하이브리드 나노구조체”가

현재 가장 강력한 차세대 CCUS 소재군으로 꼽힙니다.

 

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탄소 활용(Conversion) – 촉매의 시대

포집된 CO₂를 그대로 버리는 것이 아니라,

화학적으로 새로운 물질로 전환하는 기술이 바로 ‘Utilization’입니다.

 

이 과정의 핵심은 촉매(Catalyst)입니다.

전기화학적 환원 (Electrochemical CO₂ Reduction)

• 전기 에너지를 이용해 CO₂를 일산화탄소(CO), 메탄올(CH₃OH), 에탄올 등으로 변환
• 대표 촉매: 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), ZnO 나노입자

예시 : 구리 기반 촉매는 CO₂를 에틸렌으로 변환할 때 최대 80%의 전류 효율(Faradaic efficiency)을 달성

 

광촉매 반응 (Photocatalytic Reduction)

• 태양광을 이용해 CO₂를 화학적으로 환원
• 대표 소재: TiO₂, g-C₃N₄, 페로브스카이트 기반 복합체
• 태양광 기반 “인공광합성 시스템”으로 발전 중

열화학적 촉매 반응 (Thermocatalysis)

• 고온 환경에서 CO₂를 수소와 반응시켜 메탄·메탄올 생산
• 대표 기술 : Sabatier Reaction (Ni 촉매 기반)

이러한 나노촉매 기술의 발전으로

CO₂는 이제 “폐기물”이 아니라 “탄소 원료 자원”으로 인식되고 있습니다.

 

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신소재 기술이 CCUS의 효율을 바꾸는 방식

기술 요소	역할	기술적 장점
나노기공 설계	CO₂ 분자 선택 흡착	흡착량·속도 향상
금속 중심 이온 조정	MOF의 친화도 제어	선택성 개선
전도성 나노소재 결합	재생 에너지 절감	저온·전기 재생 가능
복합 촉매 구조	전환 효율 향상	반응 경로 제어 가능

 

예를 들어,

“Ni-MOF@Graphene” 복합체는 CO₂ 전환율을 92%까지 끌어올렸고,

“Cu₂O/TiO₂” 광촉매는 태양광만으로 메탄올 생성에 성공했습니다.

 

즉, 소재 혁신이 곧 CCUS의 경제성을 결정합니다.

 

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산업 적용 및 글로벌 동향

(1) 미국 – ExxonMobil, Occidental

• MOF 기반 흡착제 상용화 테스트 중
• DAC(Direct Air Capture) 플랜트 구축

(2) 유럽 – Climeworks (스위스)

• 대기 중 CO₂ 직접 포집 + 지하 저장
• “Orca Project”: 연 4,000톤 포집 실증

(3) 한국 – 포스코, 한화솔루션, 한국에너지기술연구원

• 제철소 배출 CO₂ 포집 후 메탄올·플라스틱 원료 전환
• 국내 CCUS 기술자립률 62% 달성

(4) 일본 – Mitsubishi Heavy Industries

• “KS-21” 흡수제 기술 + MOF 흡착 신소재 결합
• 암모니아 합성용 CO₂ 변환 실증 진행 중

 

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남은 과제 – 경제성과 지속가능성

CCUS 신소재 기술이 상용화되려면

다음 세 가지 조건이 충족되어야 합니다.

 

1️⃣ 저비용·고효율 흡착제 개발 → MOF·제올라이트의 합성 비용 절감

2️⃣ 에너지 소비 최소화 → 저온 재생형 전도성 복합소재 활용

3️⃣ 장기 안정성·내구성 확보 → 습기·산성 환경에서도 구조 유지

 

이 조건이 충족된다면,

CCUS는 단순한 환경기술이 아니라

에너지-소재 순환경제의 핵심 산업군으로 자리 잡을 것입니다.

 

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탄소를 버리지 말고 ‘자원’으로 바꾸는 시대

과거에는 탄소를 줄이는 것이 목표였다면,

이제는 탄소를 다시 활용하는 것이 경쟁력이 되었습니다.

 

CO₂를 흡착하고, 변환하고, 다시 산업의 원료로 쓰는 시대 —

그 중심에는 나노구조 신소재와 촉매 기술이 있습니다.

 

즉, CCUS는 더 이상 선택이 아닌

“탄소중립의 마지막 퍼즐 조각”입니다.

 

기술이 진화할수록,

우리의 공기는 조금 더 맑아지고,

탄소는 더 이상 적이 아니라 자원이 될 것입니다.