^*바이오매스(Biomass): 태양 에너지를 받아 유기물을 합성하는 식물체, 그리고 식물을 식량으로 하는 동물과 미생물 등 생물유기체를 지칭한다. 화학적 에너지로 전환할 수 있는 친환경 에너지 자원이기도 하다.

^*바닐린(vanilin): 바닐라 향이 나는 방향족 무색의 결정성 고체다. 식품에 단맛을 더해주는 향료로서 사용되어 초콜릿, 아이스크림, 사탕 등에 첨가되며 화장품 원료로도 사용된다.

^*일산화탄소(CO): 암모니아 같은 가스 합성이나 니켈 정제 공정에 사용 된다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

재생에너지 자원을 효율적으로 쓰는 기술로, ‘전기 에너지’나 ‘빛 에너지’를 ‘화학 에너지’로 변환하는 방법이 주목받고 있다. 이론적으로는 저렴하고 깨끗한 전자 공급원(electron donor)인 물을 사용해서 (광)전기화학적1) 환원을 통해 다양한 화학물질을 지속적으로 생산할 수 있다. 그러나 ‘물 분해2)를 통한 산소 발생 반응(OER)’은 4개의 전자(electron)가 관여하는 반응으로 그 속도가 느리다는 단점이 있다. 이 문제를 해결하려는 산소 발생 촉매에 관한 보고들이 많이 있었지만, 산성 수용액에서의 루테늄(Ru)과 백금(Pt) 등 비싼 촉매의 사용, 높은 과전압3), 전극과 촉매의 낮은 안정성 등의 문제점들이 남아있다. 이번 연구에서는 그 대안으로 리그닌4)을 포함한 다양한 바이오매스가 전자 공급원으로 사용될 수 있음을 제시했다.

바이오매스 분해를 통한 전자 공급은 물 분해의 산소 발생 과정의 단점을 보안할 기술로 주목받고 있다. 바이오매스의 경우 가격이 저렴하고 그 양이 풍부해 지속적으로 공급 가능하고, 물과 마찬가지로 오염물질 없이 친환경적이라 전자 공급원으로서 활용할 수 있다. 하지만 앞선 바이오매스의 분해 연구에서는 ‘느린 분해와 전자 전달 속도’와 ‘높은 과전압’을 보이는 한계점이 있어 이를 해결할 필요가 있었다.

2. 연구내용

본 연구에서는 몰리브덴(Mo) 금속 기반 촉매를 통해 리그닌을 분해하고 이를 전자 공급원으로 사용했다. 이를 통해 전기로 물을 분해할 때 나타나는 두 반응 중 ‘산소 발생 반응’(OER)을 대체하면서 ‘수소 발생 반응(HER)’의 효율을 높였다.

인몰리브덴산(Phosphomolybdic Acid, PMA)5) 촉매는 바이오매스와 낮은 온도에서도 쉽게 반응해 바이오매스를 분해할 수 있었다. 뿐만 아니라 이 촉매를 쓰면 바이오매스를 분해하는 동시에 전자도 얻게 된다. 따라서 특정 전압을 가하면 바이오매스에서 얻은 전자를 다른 화학물질 변환에도 사용할 수 있다.

연구진은 이 점을 활용, 인몰리브덴산 촉매의 리그닌(Lignin) 분해 반응과 (광)전기화학 반응을 결합해 수소 발생 반응을 진행했다. 그 결과 기존 산성 수용액에서 필요한 물 분해 반응 전압인 1.5~1.6볼트(V)보다 적은 전압인 0.95볼트(V)에서도 작동하며, 수소 발생도 높은 효율로 꾸준히 유지되는 되는 게 확인됐다.

또한 리그닌이 분해될 경우 리그닌보다 경제적 가치가 있는 일산화탄소(CO)와 바닐린(Vanillin)6)이 생성됐다. 이는 리그닌이라는 저렴하고 풍부한 원료를 더 효율적으로 활용하는 방법이기도 하다.

3. 기대효과

본 연구팀이 제안한 ‘촉매를 사용한 리그닌 분해방법’을 이용하면 리그닌을 효과적으로 해중합7)해 고부가가치의 화합물과 수소를 생산할 수 있다.

이 기술은 바이오매스를 기반으로 친환경적으로 기존의 화학연료를 대체할 수 있음을 보였다. 또 현재 알려진 물의 전기분해 반응의 단점을 보안해 수소뿐만 아니라 다양한 화합물들의 생성에도 활용할 가능성을 열었다.

[붙임] 용어설명

1. (광)전기화학 반응

전극에 ‘빛’과 ‘전기’를 함께 쪼이면 일어나는 전극 반응을 (광)전기화학 반응이라 하며, 전기만 줄 경우 나타나는 반응을 전기화학 반응이라고 한다. 전극 표면에서 산화 반응이 일어나는 전극을 양극(anode)이라 하며, 환원 반응이 일어나는 전극을 음극(cathode)라 한다.

2. 수전해(물의 전기분해)

물로부터 수소와 산소를 생산하는 촉매 반응이다. 양극에서는 산화 반응이 일어나 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction, OER)이, 음극에서는 환원 반응이 일어나 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)이 이뤄진다. 

3. 과전압

전기분해로 수소나 산소를 발생시킬 때, 이론적인 값보다 전압을 일정 수준 높여야만 반응이 진행된다. 이때 더 요구되는 전압을 과전압이라 한다. 물에서 수소와 산소로 가는 길에 높은 산이 있다고 예를 들어 설명할 수 있으며, 이 높이가 낮을수록 에너지가 적게 들어간다. 

4. 리그닌(Lignin)

셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스와 함께 목재의 대부분을 차지하고 있는 성분이다. 주로 방향족을 단위체로 가지는 고분자화합물로 이뤄지며, 그 구조가 복잡해 쉽게 분해할 수 없는 물질로 알려졌다. 

5. 인몰리브덴산(Phosphomolybdic acid, PMA)

노랑 혹은 초록색을 띠는 화학물질로 물이나 극성 유기물질에 쉽게 녹는다. 평소 노란색을 띠는데, 전자를 얻어 환원되면 초록색으로 바뀐다. 특정 전압을 가해주면, 다시 초록색에서 노란색으로 돌아온다. 

6. 바닐린(Vanillin)

바닐린은 바닐라 콩에서 추출한 바닐라 향이 나는 무색의 방향족 결정성 고체다. 바닐린 자체는 단맛이 없으나 식품에 달콤함을 더하는 향료로써 초콜릿이나 아이스크림, 사탕 등에 첨가한다.

7. 해중합

중합의 반대 현상. 중합체(고분자)를 가열하면 역반응을 일으켜 그 중합체가 단위체로 분해되는 화학 반응으로, 중합체의 구조 단위를 알아내거나 깨끗하게 분해하는 데 도움이 된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 리그닌 분해를 통한 부산물 생산과 수소 발생 반응의 모식도

왼쪽에 있는 ‘리그닌’은 촉매의 영향으로 분해되면서 ‘바닐린’과 ‘일산화탄소’를 생산하게 된다. 이때 리그닌에 있던 전자가 촉매로 이동하면서, 촉매는 전자 두 개를 추가로 가진다. 이 전자를 탄소나노튜브 전극에 전달하면 촉매는 원래 상태로 다시 돌아가며, 다시 리그닌을 분해한다. 오른쪽의 백금 전극에서는 리그닌에서 나온 전자를 전달받아 수소 발생 반응을 한다.

그림2. 연구진이 구성한 리그닌 분해 및 수소 생성 시스템.

촉매만 녹아있는 용액은 노란색(왼쪽)을 띤다. 여기에 리그닌을 넣고 가열하면 리그닌이 분해되면서 전자를 촉매에 주게 된다. 전자를 얻은 촉매는 오른쪽 그림과 같이 진한 초록색을 띠고, 반응생성물인 일산화탄소는 공기 중으로 날아가며, 바닐린은 용액 속에 녹아있게 된다. 리그닌이 분해되면서 나온 전자는 수소 발생 반응을 돕는다.