효모 활용해 수소 생산하는 물 분해 촉매 개발

UNIST, 귀금속 촉매보다 효율 높은 물질 합성

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 맥주나 빵 등을 만들 때 사용하는 효모를 이용해 수소를 생산하는 방법을 개발했다.

김광수 자연과학부 교수팀은 폐기된 효모를 이용, 수전해(물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해하는 것) 촉매 물질을 합성하는 데 성공했다고 9일 밝혔다.

수소는 지구상에서 가장 깨끗한 에너지 공급원으로, 이를 친환경적으로 얻으려면 물을 전기분해하면 된다.

물 분자 속 수소와 산소는 아주 강하게 결합하고 있어서, 이를 분해하는 데 도움을 주는 백금(Pt·수소 발생 반응용)이나 이리듐(Ir·산소 발생 반응용) 같은 촉매가 필요하다. 그러나 이들 귀금속 촉매는 희귀하고 가격이 비싸며 내구성이 떨어지는 문제가 있다.

김 교수팀은 귀금속 촉매를 대체하면서, 산소와 수소 발생 효율을 높일 촉매 재료로 폐기된 효모에 주목했다.

효모는 미생물이어서 쓰고 버려지더라도 탄소, 인, 황, 질소 같은 물질이 풍부하다. 이런 물질은 전기 전도도를 높일 수 있고, 다른 물질을 붙잡을 수 있는 ‘작용기’도 있어 금속 입자를 고정하는 데 도움이 된다.

연구진은 버려진 효모를 지지체로 삼아 수소와 산소 발생을 촉진하는 두 가지 촉매를 만들었다.

먼저 수소 발생 반응이 일어나는 음극용 촉매로는 효모에 루테늄 금속 나노입자와 루테늄 단원자를 입힌 물질을, 산소 발생 반응을 위한 양극용 촉매로는 효모에 자철광을 입힌 물질을 각각 만든 것이다.

그 결과 음극 촉매는 여러 전기·화학적 성능과 내구성에서 백금 촉매보다 매우 뛰어난 성능을 보였고, 양극 촉매도 이리듐 촉매보다 훨씬 뛰어난 산소 발생 성능을 보였다.

특히 두 촉매를 적용한 물의 전기분해 시스템에서는 일반적인 건전지 수준의 전기에너지를 만드는 태양전지(1.74V 생산)를 이용해 충분한 물 분해 반응(최대 30㎃의 전류밀도 기록)을 얻을 수 있었다. 또 이 시스템은 태양전지로 생산한 전기에너지를 가하지 않고 태양광을 비추는 것만으로도 물을 산소와 수소로 분해했다.

김 교수는 “폐기되는 효모는 친환경적이고 저렴한 재료인 데다 쉽게 구할 수 있는 바이오매스 물질이다”면서 “이번 연구에서 효모의 새로운 활용법을 제시하게 됐고, 앞으로 수소 생산 비용을 절감하는 데 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학 저널 ‘네이처 서스테이너빌러티'(Nature Sustainability) 6일 자에 게재됐다.

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