울산과학기술원(UNIST)이 폐목재에서 나온 전자로 태양광 수소 생산에 성공했다.
UNIST 에너지화학공학과 류정기, 장지욱, 장성연 교수 연구팀은 목질계 바이오매스 중 리그닌만 분해해 고부가가치 화합물을 얻고 추출된 전자를 태양광 수소 생산에 쓰는 고효율 수전해 기술을 개발했다.
리그닌은 구조가 복잡해 쉽게 분해되지 않고 섭씨 150도 이상의 고온과 고압으로 처리해도 경제성 낮은 화합물이 생성돼 주로 폐기되는 물질이나 목질계 바이오매스에서 차지하는 비중이 20-30%로 큰 만큼 유용한 물질로 만들고자 하는 시도가 꾸준히 진행되고 있다.
연구팀은 목질계 바이오매스에서 리그닌만 분리하기 위해 몰리브덴을 기반으로 하는 저렴한 물질인 인몰리브덴산(PMA: Phosphomolybdic Acid)을 촉매로 사용했다.
60도 저온에서 PMA에 목질계 바이오매스를 반응시키자 리그닌만 분해돼 바닐린이라는 유용한 물질이 만들어졌고 연구팀은 리그닌이 바닐린으로 변하는 과정에서 나온 전자를 추출해 수전해 기술의 단점을 보완하는데 활용했다.
기존 수전해 기술은 수소와 함께 발생한 산소로 폭발할 가능성 등 여러 문제가 있고, 특히 태양광 에너지를 연료로 전환하는 태양광 수소 생산 시스템은 높은 에너지가 필요해 전기에너지를 추가해야 한다.
연구팀은 리그닌의 변환에서 얻은 전자를 활용해 산소 발생을 막는 수전해 시스템을 설계했으며 가시광선 전체 영역의 빛을 흡수하는 페로브스카이트 광전극을 적용해 수소 생산량을 늘렸다.
이에 따라 시스템은 태양광 아래에서 20시간 동안 효율적이고 안정적으로 수소를 생산했으며 초기 전류의 97% 이상을 유지했다.
류정기 교수는 “기존 태양광 수전해 시스템보다 적은 에너지로 그린수소를 생산할 수 있다”며 “목질계 바이오매스를 효과적으로 활용할 뿐만 아니라 구성 성분을 모두 쓸 수 있는 경제적 기술”이라고 강조했다.
연구 결과는 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 10월3일자로 공개됐고 연구 수행은 한국연구재단 나노 및 소재 기술개발사업-미래기술연구실, 원천기술 개발 사업-탄소중립 기술 개발의 지원을 받아 진했됐다. (K)