[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

물 분해를 통한 그린 수소 생산과 바이오매스 기반 연료 생산을 통한 재생 가능한 화학 산업은 화석 연료에 크게 의존하는 지속 가능한 산업에 있어서 중요하다. 현재 수소와 다양한 플랫폼 화학물질들은 상당한 CO2 배출을 동반하는 화석 연료에서 생산되고 있어 대안적인 생산 기술의 필요성이 대두되고 있다. 이에 따라 학계, 산업 및 정부에서는 풍부한 원료와 탄소 중립적인 수명주기를 가지는 물 분해1) 및 바이오매스 리파이너리2)에 대한 관심이 증가하고 있다. 이를 위해, 촉매 개발, 공정 및 반응기 설계 및 기술-경제적 분석 측면에서 광범위하게 조사되고 있다. 그러나 다양한 기술적 및 경제적 장벽으로 인해 실용화는 여전히 어려운 문제이다. 예를 들어, 수전해 전기화학 반응을 통한 수소 생산은 에너지 집약적이며 비싼 지속 불가능한 원소 (예: Pt 및 Ir)에 의존하고 있으며, 주로 물 산화의 느린 반응속도와 높은 과전압 등의 단점을 가진다.

한편, 물 산화 반응의 대체제로 주목받고 있는 바이오매스 기반 전환 반응은 에너지 효율성, 생산성 및 선택성이 낮은 단점을 가지고 있다. 또한, 식량 공급과의 갈등을 피하기 위해 비균질성 및 고내구성의 바이오매스 (예: 리그닌 및 리그노셀룰로오스)를 사용할 때 고온, 강염기 등의 처리 조건이 필요하여 친환경적이지 않고 비경제적이다.

최근 들어 태양광 기반 바이오매스 전환과 수소 생산을 하는 연구가 주목받고 있다. 예를 들어, TiO2 및 CdS와 같은 기존에 알려진 광촉매는 바이오매스 전환 및 수소 생산에 활용되었다. 이러한 광촉매는 포도당 및 5-(하이드록시메틸)퓨랄과 같은 생물학적으로 유래한 화학물질을 산화 또는 분해하여 고부가가치 화학물질을 생산할 수 있다. 이러한 연구들은 대부분 식용 또는 고도로 가공된 생물학적으로 유래한 화학물질을 활용한다. Reisner 등은 가시광선 활성 CdS/CdOx 광촉매를 이용하여 목질계 바이오매스 기반 수소 생산을 보고하였다. 그러나 이러한 광촉매는 태양광의 이용이 제한적인 큰 밴드갭3)을 가지거나 (TiO2, >3.2 eV), 독성 및 광부식성 (CdS 등)과 같은 실용적인 응용에 있어 큰 한계점을 가진다. 또한, 많은 연구들은 주로 효율적인 태양광 수소 생산에 초점을 맞추었으며 특히 리그닌4)을 사용할 때 바이오매스로부터 고부가가치 화합물의 선택적 생산에 덜 중점을 두었다.

2. 연구내용

본 연구에서는 다공성 실리콘 광촉매5) (1.6 eV)를 사용하여 태양광 활용도를 높이고, 니켈 도핑된 그래핀 퀀텀닷6)으로 다공성 실리콘 광촉매이 표면을 2~3 nm로 균일하게 코팅하여 실리콘의 단점인 산화 반응을 억제하고 광전하의 전달 및 분리 효율을 향상하여 고안정성, 고효율의 하이브리드 실리콘 광촉매를 보고하였다. 개발된 하이브리드 실리콘 광촉매를 물 산화반응 대신 바이오매스 산화반응에 활용하였을 때, 고온, 강염기, 비싼 촉매 없이 중성에서 우수한 태양광 기반의 수소 생산 효율 (14.2 mmol g-1 h-1)을 보였다. 또한, 기존 다공성 실리콘 광촉매는 21%의 안정성을 보인 반면, 하이브리드 실리콘 광촉매는 98%의 고안정성을 유지하였다. 또한, 니켈 도핑된 그래핀 퀀텀닷 내의 단원자 니켈은 바이오매스의 산화 및 전환을 위한 촉매 활성 사이트로 작용하여 바이오매스의 분해 산물인 바닐린7)을 포함한 방향족 화합물의 고선택성, 고수율 (147.1 mg glignin-1)을 보였다.

3. 기대효과

본 연구팀이 제안한 촉매는 목질계 바이오매스를 통한 연속적 수소 생산 및 고부가가치 화합물 생산을 우수한 고효율, 고선택성을 가진다. 기존 촉매와는 다른 고안정성으로 인해 재사용성이 우수하며 높은 태양광 흡수를 통해 실용화가 가능하다는 장점을 가진다. 이 기술은 바이오매스를 기반으로 친환경적인 방법을 통해 기존의 화학연료를 대체할 수 있는 장점을 가진다. 또한, 기존 물 분해의 단점을 보완해 태양광 기반 수소 생산뿐만 아니라 다양한 화합물의 생성에도 활용가능하다. 더불어, 기존의 광촉매 대비 우수한 태양광 활용도를 가지는 고안정성 촉매는 바이오매스 기반 수소 및 고부가가치 화합물 생산의 새로운 해법을 제시하였다.

[붙임] 용어설명

1. 수전해 (Water splitting)

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.

2. 바이오매스 리파이너리 (Biomass refinery)

휘발유, 경유와 같은 연료와 플라스틱, 섬유 등 수많은 화학제품들을 오일 리파이너리 (oil refinery)를 통해 생산했던 것을 바이오매스 자원으로 대체해 생산하는 개념이다. 태양열, 태양광, 풍력, 지열 등의 에너지원들을 이용해 발전과 열을 얻음으로써 단순히 석유자원을 대체하는 수준을 넘어 재생 가능한 바이오매스 자원을 활용함으로써 바이오에탄올, 바이오디젤 등과 같은 연료와 바이오플라스틱 등 각종 화학제품을 대체 생산하는 좀 더 포괄적으로 석유자원을 대체한다.

3. 밴드갭 (Band gap)

반도체, 절연체의 띠구조에서 전자에 점유된 가장 높은 에너지띠의 맨위부터 가장 낮은 공간띠의 바닥까지 사이의 에너지 준위나 그 에너지 차이를 말한다. 밴드갭이 작으면 가시광선부터 적외선에 이르기까지 다양한 파장의 빛을 흡수할 수 있다. 밴드갭이 커지면 흡수할 수 있는 빛이 자외선에 한정된다.

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. 실리콘 광촉매 (Silicon photocatalyst)

실리콘의 전도대(conduction band)는 수소 환원 전위보다 높아 수소 생성에 최적화된 촉매이다. 하지만 광촉매 반응 중 Si-OH 등의 산화층 형성으로 인해 반응 중 광촉매 효율의 감소 원인이 된다.

6. 그래핀 퀀텀닷 (Graphene quantum dot)

그래핀 퀀텀닷은 디스크 모양의 탄소 원자 하나의 두께로 수십 나노미터 이하의 지름을 가지며 그래핀 구조를 가지는 나노 구조체이다. 높은 용해성, 낮은 독성, 고안정성 등 장점을 가춰 기존 양자점의 단점을 보완할 수 있는 대체 물질로 주목받고 있다.

7. 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.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

그림1. 태양광에서 연속적 수소 및 고부가가치 생성물 생산을 위한 하이브리드 광촉매의 개발

실리콘 광촉매의 단점인 반응 중 산화층 형성을 통한 저안정성으로 인한 태양광 기반 수소 생성의 낮은 효율을 보완하기 위해서, 니켈 도핑된 그래핀 퀀텀닷으로 실리콘 광촉매의 표면을 개질하여 하이브리드 무독성 저가 광촉매를 개발함. 개발된 하이브리드 광촉매는 강염기, 고온 과정 없이 태양광 및 중성 조건에서 최고 효율의 수소 생성 및 바이오매스를 산화/분해하여 고부가가치 화합물의 생산이 가능함.

그림2. 태양광 기반 하이브리드 실리콘 광촉매로부터 수소 생산

하이브리드 무독성 저가 실리콘 광촉매와 전자 제공체로 물 대신 바이오매스를 활용하였을 때, 실리콘의 안정성의 향상으로 인해 고효율의 수소를 생산할 수 있음을 확인함.

그림3. 태양광 기반 리그닌으로부터 방향족화합물 생산

리그닌을 모델 바이오매스로 선정하여 태양광 기반의 광촉매 반응 후 생성물을 확인하였을 때 고부가화합물의 생산이 가능한 것을 확인함. 하이브리드 실리콘 광촉매 표면의 니켈 도핑된 그래핀 퀀텀닷이 리그닌의 C-O 결합의 선택적 분해를 도와 고부가화합물을 생산할 수 있음.