UNIST “폐목재 분해해 얻는 전자로 태양광 수소 생산”

목질계 바이오매스 '리그닌' 활용한 '고효율 수전해 기술' 개발

울산과학기술원(UNIST)은 나무에서 나온 찌꺼기로 유용한 화합물을 만들며 얻는 전자로 ‘태양광 수소’를 생산하는 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

UNIST에 따르면 에너지화학공학과 류정기, 장지욱, 장성연 교수 연구팀은 목질계 바이오매스 중 ‘리그닌’만 분해해 고부가가치 화합물을 얻고, 이 과정에서 추출된 전자를 태양광 수소 생산에 쓰는 ‘고효율 수전해 기술’을 개발했다.

리그닌은 구조가 복잡해 쉽게 분해되지 않고, 150도 이상의 고온과 고압으로 처리해도 경제성 낮은 화합물이 생성돼 주로 폐기되는 물질이다.

그러나 리그닌이 목질계 바이오매스에서 차지하는 비중이 20∼30%로 큰 만큼 유용한 물질로 만들려는 시도는 꾸준히 진행됐다.

연구팀은 목질계 바이오매스에서 리그닌만 분리하기 위해 몰리브덴을 기반으로 하는 저렴한 물질인 ‘인몰리브덴산'(Phosphomolybdic acid·PMA)을 촉매로 사용했다.

60도 저온에서 PMA에 목질계 바이오매스를 반응시키자 리그닌만 분해돼 ‘바닐린’이라는 유용한 물질이 만들어졌다.

연구팀은 리그닌이 바닐린으로 변하는 과정에서 나온 전자를 추출해 수전해 기술의 단점을 보완하는 데 활용했다.

수전해 기술은 물을 전기로 분해해 수소를 얻는 기술이다.

기존 방식은 수소와 함께 발생한 산소로 인한 폭발 가능성 등 여러 문제를 안고 있었다.

또 수전해 기술 중 태양광 에너지를 연료로 전환하는 ‘태양광 수소 생산 시스템’은 높은 에너지가 필요해 전기에너지를 추가해야 한다.

연구팀은 리그닌의 변환 중 얻은 전자를 활용해 산소 발생을 막는 수전해 시스템을 설계했다.

또 가시광선 전체 영역의 빛을 흡수하는 페로브스카이트 광전극을 적용해 수소 생산량을 늘렸다.

그 결과 이 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 말했다.

연구 결과는 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 3일 자로 공개됐다.

연구 수행은 한국연구재단 ‘나노 및 소재 기술개발사업-미래기술연구실’, ‘원천기술개발사업-탄소중립기술개발’의 지원을 받아 이뤄졌다.

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