'바이오매스'에서 값싸게 수소 얻는다

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UNIST 연구팀이 폐목재 같은 바이오매스를 분해하는 과정에서 나오는 전자를 이용해 수소를 생산하는 기술을 개발했다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구팀이 폐목재 같은 바이오매스를 분해하는 과정에서 나오는 전자를 이용해 수소를 생산하는 기술을 개발했다. 바이오매스는 식물과, 식물을 먹이로 하는 동물과 미생물을 말한다. 바이오매스를 이용하면 오염물질이나 이산화탄소 발생 없이 친환경적으로 에너지를 얻을 수 있다.

류정기 울산과학기술원(UNIST) 에너지및화학공학부 교수팀은 바이오매스에 포함된 리그닌을 이용하는 ‘바이오 연료 시스템’을 개발했다. 이 시스템은 몰리브덴(Mo) 기반 촉매(PMA)로 리그닌을 분해해 바닐린이나 일산화탄소 등 산업에 활용되는 화학물질을 생산하고, 이때 나오는 전자로 수소를 생산할 수 있다.

수소는 물을 전기분해해 얻는다. 하지만 물을 전기분해하는 방식은 산소 발생 반응의 속도가 느리고 복잡해 수소 생산 효율이 떨어진다. 수소 이온이 전자를 얻어야 수소 기체가 되는데, 이 전자가 산소 발생 반응에서 나오기 때문이다.

연구팀은 수소가 다른 과정에서 전자를 얻는 방식을 떠올렸다. 몰리브덴 기반의 저렴한 금속 촉매를 이용해 낮은 온도에서 리그닌을 분해하면서 전자를 추출하는 것이다. 이 시스템은 이렇게 발생한 전자가 도선을 따라 수소 발생 반응이 일어나는 전극 쪽으로 이동하도록 설계됐다.

제1저자인 오현명 UNIST 에너지공학과 석·박통합과정 연구원은 “산소 발생 반응처럼 높은 에너지와 백금(Pt) 등 귀금속 촉매가 필요하지 않으므로 물을 전기분해하는 과정보다 효율적으로 수소를 얻을 수 있다”며 “또한 기존 전기분해 방식에서는 1.5V 이상 전압이 필요했지만, 이번에 개발한 시스템에서는 0.95V에서도 수소를 얻는 데 성공했다”고 밝혔다.

공동 1저자인 최유리 UNIST 연구조교수는 “리그닌은 자원이 풍부하고 가격이 저렴하나 분해가 어려운 소재이지만 몰리브덴 기반 촉매를 사용하자 낮은 온도에서 쉽게 분해됐다”며 “리그닌이 많이 포함된 식물인 아카시아와 볏짚, 낙엽송을 이 촉매와 반응시켜도 저온에서 쉽게 분해되는 것을 확인했다”고 설명했다.

류정기 교수는 “이번에 개발한 시스템은 물의 전기분해에서 산소 발생 반응을 대체할 새로운 방법을 찾았다는 데 의미가 크다”고 강조했다.

이 연구 결과는 화학분야 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 카탈리시스’ 3일자에 발표됐다.

바이오매스인 리그닌을 촉매를 활용해 분해하면 바닐린과 일산화탄소 같은 화학물질이 생성된다. 이때 리그닌에 있던 전자가 촉매로 이동하면서 탄소나노튜브 전극에 전달된다. 백금 전극으로 이동한 전자는 수소를 만든다. UNIST 제공

동아사이언스

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