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버려지는 글리세롤로 수소와 화학원료 생산 기술 개발

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2019년 02월 27일 15:55 프린트하기

3차원 구조의 그래핀 표면 특성을 가지는 탄소지지체를 사용해 백금 나노 입자를 합성하는 과정 과 이를 이용한 전기화학적 글리세롤 산화반응 테스트 장치를 모식도로 나타냈다. 한국화학연구원 제공
3차원 구조의 그래핀 표면 특성을 가지는 탄소지지체를 사용해 백금 나노 입자를 합성하는 과정 과 이를 이용한 전기화학적 글리세롤 산화반응 테스트 장치를 모식도로 나타냈다. 한국화학연구원 제공

바이오디젤을 만드는 과정에서 나오는 부산물인 글리세롤에서 수소연료와 화학원료를 동시 생산하는 전극 촉매 기술이 개발됐다. 활용기술이 없어 대부분 버려지고 있던 글리세롤에 새 쓰임새가 생겨날지 기대를 모은다. 


김형주 한국화학연구원 탄소자원화연구소 선임연구원 연구팀은 버려지는 글리세롤로부터 수소연료와 유용한 화학원료 유기산을 동시에 생산하는 고성능 촉매 설계 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 이 기술은 2018년 국가연구개발 우수성과 100선에 선정되기도 했다.


경유를 대체할 친환경 연료로 주목받고 있는 바이오 디젤의 생산량이 전세계적으로 늘어남에 따라 그 부산물인 글리세롤의 생산량도 증가하고 있다. 국내엔 글리세롤을 활용할 수 있는 기술이 없어 대부분 버려지고 있다. 이에 글리세롤을 활용할 수 있는 전환 기술 개발이 요구되고 있다. 


글리세롤 전환 기술은 크게 촉매화학 기술, 열분해 기술, 생화학 기술로 나뉜다. 최근 전기화학적 글리세롤 산화반응 기술이 전세계적으로 연구되고 있다. 이 기술은 전기를 주입해 화학적 산화 환원 반응을 일으켜 하나의 반응기에서 수소와 화학원료 유기산을 동시에 생산한다. 글리세롤 산화 반응에는 보통 백금과 같은 귀금속 촉매가 쓰이는데, 가격이 높고 매장량이 적어 백금 촉매의 성능을 높이는 연구가 계속되고 있다.


연구팀은 백금 촉매의 성능을 높이기 위해 입체 골격을 가진 제올라이트 물질을 활용해 3차원 구조의 탄소 지지체를 개발했다. 먼저 제올라이트 틀에 탄소물질을 성장시킨 다음 제올라이트를 다시 빼내서 탄소가 제올라이트의 3차원 골격대로 입체구조를 형성하는 원리다. 이를 통해 기존 탄소 지지체보다 표면적을 10배 넓혔다.


또 연구팀은 기존 지지체의 표면이 그래파이트 특성이었던 것과 달리 지지체 표면이 그래핀 특성을 보일 수 있도록 했다. 그래파이트와 그래핀 둘 다 탄소의 동소체 중 하나이다. 하지만 둘은 형태에서 차이가 있다. 그래파이트는 탄소 여섯 개로 이뤄진 고리가 연결되어 층을 이룬 모양이고 그래핀은 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있다. 그래핀 특성을 이용해 백금이 탄소 지지체 위에 고르게 분산되도록 했고 분산된 백금 입자의 물리화학적 성질 변화와 함께 글리세롤에 대한 반응률도 높였다. 


김 연구원은 “화학연은 관련 분야에서 국내에서 유일하게 독보적인 위치를 가지고 있다”며 “현재 관련기술 개발과 상용화에 매진하고 있으며 또 다른 세계 최고 수준의 촉매 및 반응기술 연구 개발 결과들을 학계에 보고할 준비를 하고 있다”고 밝혔다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈’ 지난달 9일 온라인판에 발표됐다.

 

김형주 한국화학연구원 탄소자원화연구소 선임연구원. 한국화학연구원 제공
김형주 한국화학연구원 탄소자원화연구소 선임연구원. 한국화학연구원 제공

 

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