한국기초과학지원연구원(KBSI) 한옥희 서울서부센터 박사 연구팀이 물이 수산화칼슘의 층상구조 속으로 투입돼 탄산화 반응을 빠르게 한다는 것을 밝혀냈다.
투입된 물의 양 측정도 성공해 이산화탄소(CO2)의 저감 및 전환과 산업적 활용 등의 기술에 쓰일 수 있다는 평가를 받고 있다.
연구팀은 고체 NMR 분석을 통해 탄산화 반응 초기에 수산화칼슘의 층간으로 물 분자가 들어감을 밝혀내고 들어간 물의 양을 측정했다.
물과 섞인 수산화칼슘 시료를 분석한 결과 일반적인 물이 4.8ppm에서 수소 핵종신호를 보이는 것과 달리 수산화칼슘 내부로 들어간 물 분자는 약 1ppm에서 신호가 관찰되었다.
이렇게 구분되는 신호 면적 크기를 활용하여 수산화칼슘 층간으로 들어간 물을 정량할 수 있게 됐다.
특정한 조건에서 다양한 물질의 화학적 특성에 따른 반응속도를 고려하는 이론적 계산을 통해 수산화칼슘의 층간으로 먼저 물이 들어갔을 때 탄산화가 빠르게 진행된다는 사실도 확인했다.
이번 연구는 원자 수준에서 물이 삽입된 수산화칼슘의 구조와 탄산화 반응과의 연관성을 실증한 세계 최초 사례이다.
향후 수산화칼슘을 공장 배기가스와 대기중 CO2를 저감할 수 있는 포집제는 물론 시멘트의 경도 조절에도 활용될 것으로 보인다.
또 고순도의 수산화칼슘을 탄산화시켜 페인트나 치약의 기능을 강화하는 충진제의 특성향상 등에도 이용될 수 있을 것으로 예상된다.
한편 수산화칼슘은 탄산화 반응을 이용하면 온실가스인 이산화탄소를 탄산칼슘이나 탄산수소칼슘으로 바꿀 수 있기 때문에 이산화탄소를 처리하는 장치에 활용한다.
물과 섞여 빠르게 수산화칼슘의 탄산화 반응이 일어나는 것은 널리 알려졌으나 반응과정에서의 물의 역할과 투입된 물의 양을 제대로 규명하지 못했었다.
이번 연구를 통해 탄산화 반응 초기에 층상구조인 수산화칼슘의 층간간격이 늘어난다는 것을 확인했다.
연구팀은 이번 연구가 원자 수준에서 화합물에 대한 구조 규명과 정량 분석을 함께할 수 있는 NMR 분석기법의 장점을 잘 보여준 것이며 향후 NMR 기술의 다양한 활용을 통해 신재생에너지, CO2의 저장 및 전환 등 탄소중립 목표 달성에 기여할 것으로 전망하고 있다.
연구 결과는 화학분야 국제 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’에 최근 게재됐다.
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