리그닌이 바닐린으로 변하는 과정에서 전자 추출해 단점 보완
태양광 아래에서 20시간 동안 안정적으로 수소 만들 수 있어
(내외방송=정지원 과학전문 기자) 나무에서 나온 찌꺼기로 '태양광 수소'를 생산할 수 있는 친환경적이면서도 경제적인 기술이 개발됐다.
UNIST는 5일 '내외방송'에 보낸 자료에서 "류정기, 장지욱, 장성연 에너지화학공학과 교수 연구팀이 목질계(목재로 이뤄진 재료) 바이오매스(생물로부터 얻은 에너지) 중 리그닌(식물 속 세포를 서로 달라붙게 함)만 분해해 고부가가치 화합물을 얻고, 이 과정에서 추출된 전자를 태양광 수소 생산에 쓰는 '고효율 수전해(물로 수소 생산) 기술'을 개발했다"고 밝혔다.
리그닌은 구조가 복잡하고 고온에서도 쉽게 분해되지 않아 주로 폐기되는 물질이었다.
연구팀은 리그닌을 분리해내기 위해서 몰리브덴(Mo)을 기반으로 하는 저렴한 물질인 '인몰리브덴산'을 촉매로 사용했다.
60℃에서 인몰리브덴산에 목질계 바이오매스를 반응시키자 리그닌만 분해돼 '바닐린'이라는 물질이 만들어졌다.
리그닌이 바닐린으로 변하는 과정에서 나온 전자를 추출해 수전해 기술의 단점 보완에 활용된 것이다.
기존 수전해 기술은 수소와 함께 발생한 산소로 폭발할 가능성과 전기에너지를 추가해야 한다는 단점이 있었다.
연구팀은 이 단점을 극복하기 위해 리그닌 변환 과정에서 얻은 전자를 활용해 산소 발생을 막는 수전해 시스템을 설계했고, 가시광선 전체 영역의 빛을 흡수하는 페로브스카이트 광전극을 사용해 수소 생산량을 늘렸다.
이를 통해 태양광 아래에서 20시간 동안 효율적이고 안정적인 수소 생산이 가능해졌다.
제1저자인 최유리 연구교수는 "이 시스템은 넓은 범위의 태양광을 흡수해 수소를 만들고, 산소나 이산화탄소 발생이 없다는 장점이 있다"고 설명했다.
이어 류정기 교수는 "기존 태양광 수전해 시스템보다 적은 에너지로 그린 수소(태양광 등 신재생에너지로 얻은 전기에너지를 물을 통해 분해해 수소를 얻는 방식)를 생산할 수 있다"고 말했다.
이어 "촉매를 활용한 목질계 바이오매스의 선택적 분해 기술은 리그닌만 선택적으로 분해할 수 있어 목질계 바이오매스를 효과적으로 활용할 수 있는 경제적인 기술"이라고 덧붙였다.
이외에도 라시미 메흐로타, 이상학 연구원이 공동 제1저자로 참여했고, 김용환 교수와 이재원 전남대 교수가 자문한 이 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 3일 공개됐다(논문명: Bias-free solar hydrogen production at 19.8mA cm-2 using perovskite photocathode and lignocellulosic biomass).
