UNIST, 바이오매스 기반 '태양광 수소 생산 시스템' 개발

바이오매스 기반 태양광 수소생산 시스템을 개발한 류정기 교수팀(뒷줄 왼쪽부터 시계방향으로 장성연 교수, 류정기 교수, 장지욱 교수, 라시미 메흐로타 연구원, 최유리 연구교수, 이상학 연구원)

나무에서 나온 찌꺼기로 유용한 화합물을 만들고, 이 과정에서 얻은 전자(electron)로 '태양광 수소'를 생산하는 기술이 개발됐다. 태양광 에너지로 수소를 생산하고 생산 효율도 높일 수 있는 '그린 수소' 상용화 기술로 평가된다.

UNIST(총장 이용훈)는 류정기·장지욱·장성연 에너지화학공학과 교수팀이 목질계 바이오매스 가운데 '리그닌'만 분해해 고부가가치 화합물을 얻고, 이 과정에서 추출한 전자를 태양광 수소 생산에 활용하는 '고효율 수전해 기술'을 개발했다고 5일 밝혔다.

추출 전자의 활용에 페로브스카이트 광전극을 사용하고, 별도 외부 에너지 사용이 없다는 점에서 태양광 에너지만으로 수소 생산이 가능한 기술이다.

'리그닌'은 주로 폐기되는 물질이었다. 구조가 복잡해 쉽게 분해되지 않고, 150℃ 이상 고온과 고압으로 처리해도 경제성 낮았다. 하지만 목질계 바이오매스에서 차지하는 비중이 20~30%로 커 유용한 물질로 만들려는 시도는 꾸준히 이어졌다.

류 교수팀은 목질계 바이오매스에서 리그닌만 분리해내기 위해 '인몰리브덴산(PMA)'을 촉매로 사용했다. 저온(60℃)에서 목질계 바이오매스에 PMA를 반응시켜 리그닌만 분리한 '바닐린'이라는 유용한 물질을 얻어냈다. 이어 리그닌이 바닐린으로 변하는 과정에서 나온 전자를 추출해 수전해에 투입했다.

[연구그림] 목질계 바이오매스에서 전자를 추출하는 시스템과 태양광 수소 생산 시스템.

수소를 얻기 위한 기존 수전해 기술은 수소와 함께 발생한 산소로 인한 폭발 가능성 등 여러 문제를 안고 있었다. 또 수전해 기술 가운데 태양광 에너지를 연료로 전환하는 '태양광 수소 생산 시스템'은 높은 에너지가 필요해 전기에너지를 추가해야 하는 상황이었다.

류 교수팀은 리그닌 분리 과정에서 얻은 전자를 활용해 산소 발생을 막는 새로운 수전해 시스템을 설계했다. 가시광선 전체 영역 빛을 흡수하는 페로브스카이트 광전극을 적용해 수소 생산 효율을 높였다.

이 시스템을 태양광 아래에서 20시간 동안 운용해 효율적이고 안정적으로 수소를 생산할 수 있다는 시험 결과를 확인했다. 시스템은 넓은 범위의 태양광을 흡수해 수소를 만들고, 산소나 이산화탄소 발생은 없다.

류정기 교수는 “기존 태양광 수전해 시스템보다 적은 에너지로 그린 수소를 생산할 수 있다. 태양광 수소 생산성 향상과 목질계 바이오매스 활용이라 두 가지 목표를 모두 잡았다는 데에 의미가 크다”며 “목질계 바이오매스 구성 성분을 모두 활용할 수 있는 경제적인 기술”이라 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 '나노 및 소재 기술개발사업-미래기술연구실', '원천기술개발사업-탄소중립기술개발' 지원을 받았고, 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈 10월 3일자에 실렸다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com