이산화탄소를 오염물질로만 여겨온 기존 인식에 도전하는 획기적인 연구 결과가 나왔다. 

10일(현지시간) 어스닷컴에 따르면 미국 미시간대학교를 중심으로 UC 데이비스와 UCLA 연구진이 참여한 공동 연구팀은 이산화탄소(CO₂)를 금속 옥살레이트(metal oxalates)로 전환해 시멘트 제조 원료로 활용하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스 화학과 조교수이자 이 연구의 공동 주저자인 헤수스 벨라스케스는 "금속 옥살산염은 아직 충분히 탐구되지 않은 분야로, 대체 시멘트 재료, 합성 전구체, 심지어 이산화탄소 저장 솔루션으로 활용될 수 있다"고 말했다. 

이번 연구는 미국 에너지부(DOE)가 후원하는 '탄소 순환 종결 센터(Center for Closing the Carbon Cycle, 4C)'의 일환으로 수행됐다. 4C의 주요 목표는 대기 중 배출되는 이산화탄소를 포집해 활용 가능한 물질로 전환하는 실용적인 방안을 찾는 데 있다.

연구팀은 시멘트의 주원료인 포틀랜드 시멘트 제조 과정에서 대규모 이산화탄소가 배출된다는 점에 주목, 발상을 전환해 이산화탄소를 투입해 새로운 시멘트 성분을 만들어내는 방식으로 접근했다. 

팀은 이산화탄소를 금속 이온과 결합시켜 금속 옥살레이트 형태의 고체를 생성한 뒤, 이를 시멘트 제조에 활용할 수 있다는 점에서 의미 있는 진전을 이뤘다.

특히 이번 연구의 핵심은 극미량의 납(lead)을 촉매로 활용하면서도 높은 반응 효율을 달성했다는 데 있다. 기존 기술은 다량의 납을 필요로 해 환경과 건강에 대한 부담이 컸다. 연구팀은 고분자 물질을 이용해 납의 화학적 환경을 정밀 제어함으로써 필요한 납의 양을 "10억 분의 1(ppb)' 수준으로 낮췄다. 이는 상업용 재료에 존재하는 불순물 수준에 불과해 산업적 확장 가능성을 높인 성과다.

미시간대 찰스 맥크로리(Charls McCrory) 교수는 "이번 연구는 이산화탄소라는 가치 없는 폐기물을 고부가가치 재료로 '업사이클링'하는 혁신적인 사례"라며 "이산화탄소를 단순히 매립하거나 제거하는 것을 넘어 건설 자재로 활용함으로써 실질적인 기후 대응 수단으로 삼을 수 있다"고 강조했다.

실제로 이 기술은 두 개의 전극을 활용한 전기화학 반응으로 작동된다. 한쪽 전극은 이산화탄소를 옥살레이트 이온으로 환원시키고, 다른 금속 전극에서는 금속 이온이 방출되어 옥살레이트와 결합해 고체 금속 옥살레이트를 생성한다. 이 고체는 침전 후 수거돼 시멘트 제조에 사용될 수 있다.

UC 데이비스의 공동저자 헤수스 벨라스케스(Jesus Velasquez) 박사는 "금속 옥살레이트는 아직 충분히 연구되지 않은 영역으로, 시멘트 대체재는 물론 이산화탄소 저장 소재로도 잠재력을 가진다"고 평가했다.

공동저자인 아나스타샤 알렉산드로바(Anastassia Alexandrova) UCLA 교수는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 촉매 역할을 하는 납의 메커니즘을 이론적으로 검증했다. 그녀는 "산업계에서 유용한 촉매는 종종 우연히 발견되며, 이번 연구처럼 극미량의 불순물이 핵심적인 역할을 하는 사례는 앞으로도 더 많을 것"이라고 내다봤다.

무엇보다 이산화탄소를 고체화해 안정적으로 저장할 수 있다는 점은 환경적으로도 주목할만하다. "이것은 단순한 포집을 넘어 실제로 유용한 고체 재료를 만들어낸다는 점에서 기후 변화 대응에 실질적인 효과를 갖는다"고 맥크로리 교수는 설명했다.

연구팀은 향후 산업화 가능성을 염두에 두고 최종 생산물의 품질과 수율을 높이기 위한 최적화 작업을 지속할 계획이다. "아직 갈 길은 멀었지만, 납 함량을 ppb 수준으로 낮춘 것은 친환경 확장을 위한 중요한 이정표"라며 "상업적 스케일로의 확대 가능성은 충분하다"고 덧븉였다.

이 연구 결과는 국제 과학 저널 '첨단 재료(Advanced Materials, 어드밴스트 머티리얼)'에 정식 게재됐다.