이산화탄소를 연료로? 촉매 발견으로 배출가스를 기회로 전환하다

메탄올은 플라스틱과 연료를 비롯한 수많은 화학 제품의 핵심 출발 물질입니다. 스위스 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich) 촉매 공학 교수인 하비에르 페레스-라미레스는 메탄올을 "다양한 화학 물질과 재료 생산을 위한 보편적인 전구체", 즉 "화학계의 스위스 군용 칼"이라고 표현했습니다.

이 액체는 화학 제품 및 연료의 지속 가능한 생산으로의 전환에 핵심적인 역할을 하지만, 수소 생산과 촉매 반응에 사용되는 에너지가 지속 가능한 방식으로 생성될 때에만 가능합니다. 이러한 조건이 충족될 경우, 메탄올은 궁극적으로 기후 중립적인 방식으로 생산될 수 있으며, 이산화탄소(CO₂)를 친환경적으로 활용하는 방법을 제공할 수 있습니다.₂대기에서 )

하지만 기존의 메탄올 생산 방식은 대부분 화석 연료를 원료로 하기 때문에 지속 가능하지 않으며, 이로 인해 온실가스(GHG) 배출량이 많습니다.

하지만 이제는 상황이 달라질 수 있습니다. 스위스 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich)의 과학자들이 화석 연료를 사용하지 않는 화학 산업의 기반이 될 수 있는 메탄올 합성법을 개발했기 때문입니다. 이 연구 결과는 네이처(Nature)에 발표되었습니다. 연구¹ 이 글은 개별 금속 원자를 촉매로 사용하여 수소와 이산화탄소로부터 액체 알코올을 생산하는 방법을 자세히 설명합니다.

과학자들이 촉매를 사용하여 화학 반응의 효율을 높이는 방법을 계속해서 연구하는 가운데, 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich) 연구진이 개발한 이 새로운 방법은 희귀하고 값비싼 금속을 더욱 경제적으로 사용할 수 있도록 해줄 수도 있습니다.

연구진은 지지체 위에 분리된 인듐 원자를 배치함으로써 CO를 변환할 수 있는 촉매를 개발했습니다.₂ 및 H₂ 메탄올로 훨씬 더 효율적으로 전환됩니다.

탄소 불균형은 도전과 기회를 동시에 창출합니다.

이산화탄소 (CO₂이산화탄소(CO₂)는 무색, 무취, 무독성 기체로 지구의 자연 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 식물은 이산화탄소를 이용합니다.₂ 광합성 과정에서 에너지 함량이 높은 화합물을 생성하고 부산물로 산소를 방출합니다. 이 과정은 인간 생존에 필수적입니다. CO₂₂ 또한 지구 탄소 순환에도 참여하는데, 이 순환에서 탄소 원자는 대기, 지구 표면 및 생물체 사이를 끊임없이 이동합니다.

자연적으로 중요한 역할을 함에도 불구하고, CO₂ 이산화탄소는 중요한 온실가스로 작용합니다. 이산화탄소는 햇빛의 열을 대기 중에 가두어 온난화 효과를 일으키고, 생명체가 살기에 적합한 온도를 유지시켜 줍니다. 온실가스가 전혀 없다면 지구는 너무 추워서 생명체가 살 수 없을 것입니다. 그러나 이산화탄소 농도가 높아지면 이러한 온난화 효과가 증폭되어 지구 온난화와 기후 변화를 초래합니다.

탄소는 암석, 퇴적물, 대기, 생물체 등 다양한 저장소를 통해 끊임없이 순환합니다. 호흡, 생물체 부패, 화산 폭발, 화재 등을 통해 다시 대기로 배출됩니다. 그러나 현재 이 균형은 인간 활동에 의해 좌우되고 있습니다. 19세기 초 산업화가 시작된 이후, 토지 개발과 화석 연료 연소로 인해 자연 흡수원이 흡수할 수 있는 양을 훨씬 초과하는 탄소가 배출되었습니다. 그 결과, 대기 중 이산화탄소(CO₂) 농도가 급증하고 있습니다.₂ 농도가 급격히 증가했으며, 증가 속도는 계속해서 빨라지고 있습니다.

글로벌 CO₂ 화석 연료 및 산업 부문에서 발생하는 배출량은 381억 1천만 톤(GtCO₂)에 달했습니다.₂) 2025년에는 1990년 이후 69% 이상 증가할 것으로 예상된다고 자료는 보여준다. Statista중국은 가장 큰 기여자 이러한 전 세계 온실가스 배출량에서 미국이 그 뒤를 잇습니다.

최근 수십 년간의 산업화와 급속한 경제 성장은 이산화탄소 배출량을 거의 450% 증가시켰습니다.₂ 지난 35년간 아시아 국가의 배출량은 증가한 반면, 미국은 6.1% 감소했습니다. 하지만 북미 국가인 미국은 여전히 ​​가장 많은 배출량을 기록하고 있습니다. 역사상 최대의 탄소 오염국.

미국과 이스라엘의 이란 전쟁은 약 1,000억 달러의 손실을 초래했습니다. 5백만 톤의 온실가스 배출량 첫 2주 동안. 전 세계 CO2₂ 배출량은 계속 증가하고 있으며, 육지와 해양의 탄소 흡수원은 지난 10년 동안 약 15% 약화되었다고 합니다. 글로벌 탄소 프로젝트비록 육지 탄소 흡수원을 발견하긴 했지만, CO₂₂ 식물과 토양이 흡수한 배출량은 이전 수준으로 회복될 것입니다.엘 니뇨 몇 년간 이례적으로 부진한 모습을 보인 후 회복세를 보이고 있습니다.

한편, 한 연구 논문은 다음과 같이 발표했습니다. 자연² 연구 결과에 따르면 탄소 흡수원의 감소가 대기 중 CO2 증가에 약 8% 기여한 것으로 나타났습니다.₂ 1960년 이후 이산화탄소 농도가 증가했습니다. 이산화탄소 흡수로 인해 해양의 pH는 0.1만큼 낮아졌고, 산성도는 30% 증가했습니다.

인간 활동이 증가함에 따라 이산화탄소 배출량도 증가합니다.₂ 자연적인 과정으로 제거할 수 있는 양보다 더 많은 이산화탄소가 대기 중으로 배출되면서 대기 중 이산화탄소량은 계속 증가하고 새로운 최고치를 경신하고 있어 이산화탄소 문제 해결이 시급한 상황입니다.₂ 배출.

이 심각한 문제를 해결하는 한 가지 방법은 재생 에너지로의 전환입니다. 태양광, 풍력, 수력, 지열, 바이오매스는 유망한 해결책을 제시하지만, 이러한 전환은 초기 투자 비용, 인프라 구축, 기술적 과제 등 여러 어려움이 따르는 느리고 장기적인 과정입니다.

다른 방법으로는 지속 가능한 교통수단 도입, 에너지 효율 향상, 조림 및 토지 관리를 통한 기존 탄소 제거 등이 있습니다.

이 모든 것들은 유망한 해결책이지만, 만약 우리가 이산화탄소를 포착하다 환경에서 직접 추출하여 원료로 사용할 수 있다면 어떨까요? 주요 온실가스인 이산화탄소를 연료로 전환할 수 있다면 어떨까요? 이는 지구 온난화를 최소화할 뿐만 아니라 세계의 높은 에너지 수요를 충족할 수 있는 획기적인 기후 및 에너지 기술이 될 것입니다.

여러 연구에서 다음과 같은 방법을 모색해 왔습니다. CO를 변환₂ 연료로 변환됩니다. 이 과정은 연료가 배출하는 이산화탄소의 양이 동일하기 때문에 탄소 중립적입니다.₂ 연소 시 발생하는 이산화탄소를 포집하고 촉매 수소화 또는 전기화학적 환원과 같은 화학적 방법을 통해 재생 에너지를 사용하여 메탄올, 디젤, 가솔린과 같은 탄화수소 연료로 전환하는 기술입니다.

메탄올은 CO2를 얻는 가장 실용적이고 확장 가능한 방법 중 하나로 꼽힙니다.₂ 기존 인프라와의 호환성과 다양한 산업 분야에서의 활용성 덕분에 활용도가 높습니다.

메탄올 (CH₃OH)는 무색, 가연성, 고독성 알코올로, 산업 활동 중이나 미생물, 식물, 화산 가스 등으로부터 자연적으로 환경으로 배출됩니다. 섭취 또는 흡수될 경우 실명, 장기 부전, 사망 등 심각한 건강 위험을 초래할 수 있습니다.

이 액체 화학 화합물은 부동액, 산업용 용매, 플라스틱, 페인트, 폼, 수지, 의약품 및 연료의 화학 원료로 사용됩니다. 또한 재생 가능한 전기를 저장하는 에너지 운반체, 기존 연료의 첨가제, 그리고 대체 액체 연료로도 사용됩니다. "친환경" 에너지 자원으로서 메탄올은 버스, 자동차, 트럭, 선박, 보일러 및 연료 전지의 연료로 사용됩니다. 또한 또 다른 재생 연료인 디메틸 에테르(DME)를 생산하는 데에도 사용됩니다.

잠재력에도 불구하고, 이산화탄소로부터 메탄올을 생산하는 규모 확장은 어려움을 수반합니다.₂ 수소 생산은 여전히 ​​높은 에너지 요구량, 수소 공급량, 비용 효율적인 촉매의 필요성 등 여러 가지 과제에 직면해 있습니다. 하지만 현재 진행 중인 연구를 통해 이러한 문제들을 빠르게 해결해 나가고 있습니다.

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단일 원자 혁신으로 효율적인 CO2 생산 가능₂ 매출 상승

취리히 연방 공과대학(ETH Zurich) 연구진은 이산화탄소와 수소로부터 메탄올을 생산하기 위한 촉매 연구에서 진전을 이루었습니다.

촉매는 고대부터 사용되어 왔습니다. 예를 들어, 빵을 만드는 데 사용되는 효모에는 밀가루를 빵으로 바꾸는 데 도움을 주는 천연 촉매(효소)가 포함되어 있습니다. 시간이 흐르면서 촉매 기술의 발전은 생분해성 플라스틱, 새로운 의약품, 그리고 환경적으로 더 안전한 연료의 개발로 이어졌습니다.

촉매는 반응을 더 쉽고 효율적으로 만들어주는 물질입니다. 이러한 "반응 보조제"는 화학 반응 속도를 높이거나 반응을 시작하는 데 필요한 압력이나 온도를 낮추는 역할을 하며, 반응 자체에서는 소모되지 않습니다.

화학 반응이 시작되려면 분자 내 원자 간 결합이 재배열되어야 하므로 에너지가 필요합니다. 이 에너지 장벽은 성냥불을 켜는 것처럼 작을 수도 있지만, 산업 공정처럼 비용이 많이 드는 복잡한 경우에는 훨씬 높을 수도 있습니다. 촉매는 이러한 에너지 장벽을 낮추는 데 도움을 주며, 가장 효과적인 촉매는 희귀하고 값비싼 금속을 포함한 금속 성분을 함유하는 경우가 많습니다.

취리히 연방 공과대학(ETH Zurich) 화학자들이 이룬 획기적인 발견은 이산화탄소로부터 메탄올을 생산하는 데 필요한 최소 에너지를 획기적으로 낮추는 촉매 개발로 이어졌습니다.₂ 그리고 수소. 연구진은 인듐을 매우 효율적으로 활용하여 각 인듐 원자가 자체적인 활성 부위 역할을 하도록 만들었습니다.

과거 촉매 연구에서 흔히 사용되었던 시행착오 방식과는 달리, 새로 발견된 촉매는 표면에서 일어나는 반응을 더욱 정밀하게 분석하고 이해할 수 있게 해줌으로써 더욱 최적화되고 합리적인 촉매 설계를 위한 길을 열어줍니다.

"저희가 개발한 새로운 촉매는 단일 원자 구조를 가지고 있으며, 특수하게 개발된 지지체 표면에 활성 금속 원자들이 고정되어 있습니다."

– Pérez-Ramírez, 국립연구역량센터(NCCR) 촉매작용 소장

새롭게 발견된 촉매는 단일 원자로 이루어져 있지만, 기존의 촉매는 금속 원자들이 응집된 형태로 존재합니다. 이러한 응집체 입자는 매우 작지만, 보통 수백에서 수천 개의 금속 원자를 포함하고 있습니다. 이 원자들 중 상당수는 반응에 직접적으로 관여하지도 않습니다. 하지만 만약 이러한 원자들이 개별적으로 작용할 수 있다면, 과학자들은 희소하고 값비싼 화학 원소를 더욱 효율적으로 활용할 수 있게 되어 귀금속의 경제적 타당성을 확보할 수 있을 것입니다.

또한, 개별 원자의 촉매 특성은 응집체의 촉매 특성과 다릅니다.

"인듐은 이미 10년 넘게 이 촉매에 사용되어 왔습니다."라고 CO2 반응을 위한 더 나은 촉매를 연구해 온 페레스-라미레스는 말했다.₂하프늄 산화물 기반 메탄올 생산 분야에서 15년 이상 연구를 진행해 왔으며, 관련 분야에서 여러 특허를 보유하고 있습니다. "본 연구에서는 하프늄 산화물 상의 분리된 인듐 원자가 CO2 생산 효율을 높이는 데 기여한다는 것을 보여줍니다."₂인듐은 나노입자 형태로 다량의 원자를 포함하고 있기 때문에 메탄올 합성에 더 효과적이다.

인듐(In)은 은백색 금속으로, 주로 아연 채광 산업에서 생산되며 소량의 부산물로 얻어집니다. 중국(40%)은 세계 최대 인듐 생산국이며 전 세계 인듐 매장량의 대부분을 보유하고 있습니다. 인듐은 태양광 전지, 땜납, 평면 디스플레이, LED, 열전도성 물질, 배터리 등에 사용되는 인듐 주석 산화물(ITO) 박막, 합금, 반도체 소재에 광범위하게 사용됩니다.

연구팀은 하프늄 산화물 표면에 인듐 원자를 정밀하게 배치하기 위해 여러 가지 새로운 합성법을 개발했습니다. 다른 연구 기관과의 공동 연구를 통해 진행된 이 연구의 핵심은 원자들이 안정적이면서도 반응성이 있는 환경에서 활동할 수 있도록 지지체를 설계하는 것이었습니다.

한 가지 방법은 출발 물질을 2,000~3,000°C의 불꽃에서 연소시킨 후 급속 냉각하는 것입니다. 이렇게 하면 인듐이 표면에 유지되고 단단히 결합됩니다.

촉매 원자를 내열성 하프늄 산화물에 내장함으로써 단일 원자 촉매가 고온 및 고압을 포함한 극한 조건을 견딜 수 있음을 입증했습니다. 이러한 내구성은 CO₂로부터 메탄올을 합성하는 데 중요합니다.₂ 수소 가스를 얻으려면 최대 300°C의 고온과 일반 대기압의 약 50배에 달하는 압력이 필요합니다.

"화염 분무 열분해를 통해 합성된 나노구조 인듐-하프늄 산화물은 인듐-지르코늄 산화물보다 인듐 단위 메탄올 생산성이 최대 70% 더 높으며, 특히 인듐 단일 원자에서 가장 큰 향상이 관찰되었다"고 연구는 밝혔다.

원자 분리 촉매의 또 다른 이점은 과학자들이 훨씬 적은 간섭 신호 속에서 반응 메커니즘을 분석할 수 있어 더욱 명확한 통찰력을 얻을 수 있다는 것입니다. 기존의 나노입자 촉매는 연구하기가 상당히 어려웠습니다. 본질적으로 블랙박스와 같았습니다. 반응은 표면의 소수 원자에서만 일어나지만, 많은 측정 신호는 반응에 관여하지 않은 입자 내부의 원자에서 발생하기 때문에 무슨 일이 일어나고 있는지 해석하기가 어려웠습니다.

"메탄올 촉매 개발과 메커니즘에 대한 상세한 분석은 이러한 학제 간 전문 지식이 없었다면 불가능했을 것입니다."

– 페레스-라미레스

탄소 재활용에 투자하기

셀라니즈 코퍼레이션 (CE ) 이 회사는 엔지니어링 폴리머를 생산하는 글로벌 화학 및 특수 소재 기업입니다. 주요 사업 부문은 엔지니어링 소재와 아세틸 사슬입니다.

특히, 이 회사는 이산화탄소를 전환하는 사업에 직접적으로 관여하고 있습니다.₂ 셀라니스(Celanese)는 일본 미쓰이 상사(Mitsui & Co.)와의 합작 투자 회사인 페어웨이 메탄올(Fairway Methanol)을 통해 약 180,000만 톤의 CO₂를 포집하여 메탄올로 전환할 계획입니다.₂ 연간 130,000만 톤의 저탄소 메탄올을 생산합니다.

최근 셀라니스(Celanese)는 화석 연료 기반 투입량을 줄이면서도 소재 성능에는 부정적인 영향을 미치지 않는 탄소 포집 및 활용(CCU) 기술에 투자한 결과, 프랑크푸르트와 텍사스 생산 시설에서 호스타폼(Hostaform) 및 셀콘 POM ECO-C 등급 제품에 대해 탄소 발자국 인증(CFC)을 획득했습니다.

시가총액 70억 달러의 셀라니스(Celanese) 주가는 현재 62.47달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 48% 상승했습니다. 이 회사의 주가는 2024년 초 170달러를 돌파한 후 지난 2년간 하락세를 보이며 작년 말 약 35달러까지 떨어졌으나, 최근 다시 상승세를 타고 있습니다.

셀라니스(Celanese)의 주당순이익(EPS, 최근 12개월 기준)은 -10.40이고 주가수익비율(P/E, 최근 12개월 기준)은 -6.02입니다. 배당수익률은 0.19%입니다.

회사 재무 현황을 살펴보면, 2025년 연간 순매출은 가격과 판매량 모두 4%씩 감소하여 7% 감소한 9.5억 달러를 기록했습니다. 영업 손실은 7억 8,600만 달러였으며, GAAP 기준 희석 주당 순손실은 10.44달러, 조정 주당 순이익은 3.98달러였습니다.

셀라니즈는 페인트, 코팅, 자동차 및 건설과 같은 주요 최종 시장에서 평소보다 낮은 수요를 보고했지만, 비용 개선, 부채 감축 가속화 및 매출 성장을 촉진하기 위해 현금 흐름 증대에 계속 집중했습니다.

“이번 연간 실적은 어려운 환경 속에서도 우리의 실행 계획과 체계적인 실행력이 얼마나 뛰어났는지 보여줍니다.”

– CEO 스콧 리처드슨

2025년에 이 회사는 1.1억 달러의 영업 현금 흐름을 창출했으며 7억 7,300만 달러의 잉여 현금 흐름을 보고했습니다.

리처드슨 CEO는 "이러한 현금 흐름 창출과 더불어 1억 2천만 달러 이상의 비용 절감, 마이크로맥스(Micromax) 매각 완료, 단기 만기 부채 재융자, 그리고 성장 촉진 및 신흥 시장 파이프라인 강화 프로그램 도입을 통해 부채 감축, 비용 개선, 매출 성장이라는 우선순위 목표 달성에 상당한 진전을 이뤘다"고 밝혔습니다. 셀라니즈는 지난 분기 순매출 2.2억 달러, 영업이익 9,300만 달러, 조정 주당순이익 0.67달러를 기록했습니다.

현재 분기에 대해서는 수요에 큰 변화는 없을 것으로 예상되지만, 계절적 요인으로 인해 판매량이 소폭 증가할 것으로 전망하여 1분기 조정 주당 순이익은 0.70달러에서 0.85달러 사이가 될 것으로 예상합니다.

"올해도 견조한 현금 창출 실적을 기록하며, 목표 잉여현금흐름은 6억 5천만 달러에서 7억 5천만 달러에 이를 것으로 예상합니다. 거시 경제 환경은 여전히 ​​불확실하지만, 우리는 성장 동력을 확보했습니다. 우리가 취하고 있는 과감한 조치들을 통해 셀라니스(Celanese)는 향후 경기 회복에서 상당한 이익을 얻을 수 있을 것으로 확신합니다."

– 리차드슨

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맺음말

이산화탄소를 연료로 전환하는 것은 기후 문제를 경제적 자산으로 바꿀 수 있는 중요한 기회입니다. 단일 원자 촉매와 같은 혁신 기술로 효율성이 획기적으로 향상됨에 따라, 이산화탄소로부터 메탄올을 생산하는 길이 더욱 가까워지고 있습니다.₂ 이 솔루션은 그 어느 때보다 실현 가능성이 높아지고 있습니다. 하지만 물론, 이 솔루션을 확대 적용하려면 풍부한 재생 에너지, 비용 효율적인 수소 생산, 그리고 이를 뒷받침하는 정책 프레임워크가 필요합니다. 이러한 모든 요소가 조화를 이루면 CO₂ 감축은 가능해질 것입니다.₂ 이는 세계 최대의 환경 문제 중 하나에서 가장 중요한 자원 중 하나로 전환될 잠재력을 가지고 있습니다.

참고자료

1. Zhang, X., Liu, Y., Wang, C., Li, J., Chen, Z., Zhao, H., Xu, L., Sun, K., Zhou, Q., Yang, F., Wu, T., Guo, S., Li, Y., Huang, J., Deng, D., Bao, X. & Li, C. 인듐 단일 원자는 효율적인 CO 생성을 가능하게 합니다.₂ 수소화 반응을 통한 메탄올 생산. 네이처 나노테크놀로지(2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02135-y
2. Friedlingstein, P., Le Quéré, C., O'Sullivan, M., Hauck, J., Landschützer, P., Luijkx, IT, Li, H., van der Woude, A., Schwingshackl, C., Pongratz, J., Regnier, P., Andrew, RM, Bakker, DCE, Canadell, JG, Ciais, P., Gasser, T., Jones, MW, Lan, X., Morgan, E., Olsen, A., Peters, GP, Peters, W., Sitch, S. & Tian, ​​H. 통합 탄소 예산에서 탄소 흡수원에 대한 새로운 기후 영향. 자연 649, 98–103 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09802-5