폐목재 같은 바이오매스(Biomass)가 분해되는 과정에서 생성되는 ‘전자(Electron)’를 이용해 수소를 생산하는 기술이 개발됐다. 바이오매스 분해 후 생산된 결과물은 고부가가치 화합물이 되며, 수소 생산 효율도 높이는 일석이조(一石二鳥) 기술이다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 류정기 교수팀은 바이오매스에 포함된 리그닌(Lignin)을 이용하는 ‘바이오 연료 시스템’을 개발했다. 이 시스템은 몰리브덴(Mo) 촉매로 리그닌을 분해해 고부가가치 화합물을 생산하고, 이 과정에서 추출된 전자를 이용해 수소도 효과적으로 생산한다.
수소(H2)를 생산하는 친환경적인 방법으로 ‘물(H₂O)의 전기분해’가 있다. 물에 전압을 흘려서 수소와 산소를 동시에 생산하는 것이다. 그런데 현재 보고된 기술에서는 산소 발생 반응(OER)의 속도가 느리고 복잡해 수소 생산 효율도 낮은 편이다. 수소 기체(H₂)는 수소 이온(H⁺)이 전자를 얻어 만들어지는데, 이 전자가 산소 발생 반응에서 나오기 때문이다.
리그닌 분해를 통한 부산물 생산과 수소 발생 반응의 모식도
류정기 교수팀은 산소 발생 반응의 비효율을 줄일 방법으로, 새로운 전자 공급원(Electron Donnor)인 리그닌을 쓰는 바이오 연료 시스템을 개발했다. 몰리브덴 기반의 저렴한 금속 촉매(PMA)를 사용해 낮은 온도에서 리그닌을 분해하고, 그 과정에서 생성되는 전자를 추출해 수소를 만드는 원리다. 이 장치는 리그닌에서 나온 전자가 도선을 따라 수소 발생 반응이 일어나는 전극 쪽으로 이동하도록 설계돼 있다.
1저자인 오현명 UNIST 에너지공학과 석·박통합과정 연구원은 “높은 에너지와 귀금속 촉매가 필요한 산소 발생 반응이 필요 없기 때문에 일반적인 물의 전기분해보다 적은 에너지(과전압)로 수소를 생산할 수 있다”며 “기존 방식에서는 1.5볼트(V) 이상의 전압이 필요했지만, 이 시스템에서는 훨씬 낮은 0.95볼트(V)에서 수소를 생산했다”고 설명했다.
또 리그닌이 분해되며 만들어지는 ‘바닐린(Vanillin)’이나 ‘일산화탄소(CO)’는 각종 산업공정에 활용될 수 있는 유용한 물질이다. 공동 1저자인 최유리 UNIST 연구조교수는 “리그닌은 자원량이 풍부하고, 가격이 저렴하나 분해가 어려운 소재이나, 몰리브덴 기반 촉매(PMA)를 사용하자 낮은 온도에서 손쉽게 분해됐다”며 “리그닌이 포함한 식물인 아카시아와 볏짚, 낙엽송을 이 촉매와 반응시켜도 저온에서 쉽게 분해되는 것을 확인했다”고 설명했다.
류정기 교수는 “이번에 개발한 ‘바이오 연료 시스템’은 백금(Pt) 같은 고가의 촉매 대신 저렴한 촉매와 낮은 전압을 사용해 수소와 가치 있는 화학물질을 생성하는 기술”이라며 “물의 전기분해에서 산소 발생 반응을 대체할 새로운 방법을 제시했다는 의미도 크다”고 강조했다.
이번 연구는 미국화학회가 발행하는 ‘ACS catalysis’에 1월 3일자로 공개됐다. 연구 수행은 기후변화대응기술개발사업 ‘폐바이오매스를 이용한 zero-waste 바이오리파이너리 기술 개발’ 사업단의 지원을 받아 이뤄졌다.
