경쟁 흡착(competitive adsorption)이란 무엇일까?

경쟁 흡착은 단어 그대로 서로 다른 물질이 같은 표면에 대해 경쟁적으로 흡착하는 현상을 의미해요. 경쟁 흡착을 할 때에는 1가지 가스로만 환경이 조성되어 있을 때 보다 개별 가스의 흡착양이 감소합니다. 이런 현상에는 다양한 원인이 있지만 대표적으로 몇 가지만 소개해 드리겠습니다.

• 활성 부위(Active site) 한정성:
  소재 표면에 흡착이 이루어질 수 있는 부위는 한정적입니다. 그렇기 때문에 특정 위치에 어떤 물질이 먼저 흡착하게 되면 다른 물질이 그 부위에 흡착 할수 없게 됩니다.
• 매커니즘의 유사성:
  흡착 분자와 소재 표면의 상호작용에 사용되는 에너지 등이 유사해 다른 분자 모두 흡착이 용이해 경쟁하게 됩니다.
• 분자의 농도:
  농도가 높은 분자가 흡착재 표면에 더 쉽게 도달할 수 있습니다.

그리고 서로 경쟁하는 물질 중 더 강하게 흡착 하는 물질이 있는데요. 흡착의 선택성(adsorption selectivity)이라고 말합니다. 이러한 성질은 소재 특성과 흡착이 이뤄지는 조건(환경 등)에 따라 달라질 수 있습니다.

어떤 분자가 다른 분자의 흡착에 영향을 미치게 되면 흡착을 이용한 시스템을 설계할 때 많은 난항을 겪을 수 있습니다. 이산화탄소 포집 분야 중에서 직접 대기 포집(Direct Air Capture, DAC) 기술을 예로 들어 볼까요?

DAC 기술은 대기 중에 있는 이산화탄소를 모아 온실가스 감축에 유의미한 변화를 만드는 것을 목표로 합니다. 그렇다면 이산화탄소를 효율적으로 포집하기 위해서는 대기를 구성하고 있는 다양한 물질 중에서 '이산화탄소만' 포집 하는 것이 중요하겠죠.

하지만 경쟁 흡착으로 인해 현실적으로 구현하기 매우 어렵습니다. 왜냐하면 대기 중 이산화탄소의 농도는 400ppm(0.04%) 매우 낮은데 비해 경쟁 흡착 관계인 수증기(water vapor)의 농도가 상대적으로 더 높기 때문입니다. 따라서 대기 중 수분이 이산화탄소 포집 성능에 매우 직접적으로 영향을 줄 수 있는 것이지요.

위와 같이 경쟁 흡착은 친환경 기술과 특히 밀접한 관련이 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 현재도 많은 연구원들이 노력하고 있고요. 하루빨리 효율적으로 특정 물질을 선택해 흡착 시킬 수 있는 기술이 발전되어 지구 온난화를 비롯한 많은 문제를 해결했으면 좋겠습니다.