바이오매스 활용해 수소 생산 효율↑
바이오매스 활용해 수소 생산 효율↑
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.27 23:50
  • 조회수 633
  • 댓글 0
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요약

 

바이오매스(Biomass)가 분해되는 과정에서 생성되는 '전자(Electron)'를 이용해 수소를 생산하는 기술이 개발됐습니다. 산소 발생 반응의 비효율을 줄일 방법으로 새로운 전자 공급원(Electron Donnor)인 리그닌을 쓰는 바이오 연료 시스템을 개발한건데요. 이는 바이오매스 분해 후 생산된 결과물이 고부가가치 화합물이 되고 수소 생산 효율도 높이는 일석이조 기술이라고 합니다. 

UNIST 에너지 및 화학공학부 류정기 교수팀은 바이오매스에 포함된 리그닌(Lignin)을 이용하는 '바이오 연료 시스템'을 개발했습니다. 이 시스템은 몰리브덴(Mo) 촉매로 리그닌을 분해해 고부가가치 화합물을 생산하고 이 과정에서 추출된 전자를 이용해 수소도 효과적으로 생산할 수 있다고 합니다. 해당 연구는 미국 화학회가 발행하는 <ACS catalysis>에 게재됐습니다. 

산림바이오매스 전력 산업은 지역경제를 활성화에 도움이 됩니다. 출처: fotolia
바이오매스 분해 후 생산된 결과물이 고부가가치 화합물이 되고 수소 생산 효율도 높이는 일석이조.  출처: fotolia

물 분해 통해 산소 얻기, 너무 느리다

 

  • 바이오매스(Biomass)

태양 에너지를 받아 유기물을 합성하는 식물체, 그리고 식물을 식량으로 하는 동물과 미생물 등 생물유기체를 지칭합니다. 화학적 에너지로 전환할 수 있는 친환경 에너지 자원이기도 합니다. 

수소(H2)를 생산하는 친환경적인 방법으로는 '물(H₂O)의 전기분해'가 쓰입니다. 물에 전압을 흘려서 수소와 산소를 동시에 생산하는 건데요. 하지만 현재 보고된 기술에서는 산소 발생 반응(OER)의 속도가 느리고 복잡해 수소 생산 효율이 낮은 편입니다. 수소 기체(H₂)는 수소 이온(H⁺)이 전자를 얻어 만들어지는데, 이 전자가 산소 발생 반응에서 나오기 때문입니다.

 

이 문제를 해결하려는 산소 발생 촉매에 관한 보고들이 많이 있었지만 산성 수용액에서의 루테늄(Ru)과 백금(Pt) 등 비싼 촉매의 사용, 높은 과전압, 전극과 촉매의 낮은 안정성 등의 문제점들이 존재했습니다.

 

 바이오매스 분해해 전자 얻다

 

연구진은 산소 발생 반응의 비효율을 줄일 방법으로 새로운 전자 공급원(Electron Donnor)인 리그닌을 쓰는 바이오 연료 시스템을 개발했습니다. 몰리브덴 기반의 저렴한 금속 촉매(PMA)를 사용해 낮은 온도에서 리그닌을 분해하고 그 과정에서 생성되는 전자를 추출해 수소를 만드는 원리입니다. 이 장치는 리그닌에서 나온 전자가 도선을 따라 수소 발생 반응이 일어나는 전극 쪽으로 이동하도록 설계됐습니다. 

리그닌 분해를 통한 부산물 생산과 수소 발생 반응의 모식도. 출처: UNIST
리그닌 분해를 통한 부산물 생산과 수소 발생 반응의 모식도. 출처: UNIST

이번 연구의 1저자인 UNIST 에너지공학과 석·박통합 과정의 오현명 연구원은 "높은 에너지와 귀금속 촉매가 필요한 산소 발생 반응이 필요없기 때문에 일반적인 물의 전기분해보다 적은 에너지(과전압)으로 수소를 생산할 수 있다"며 "기존 방식에서는 1.5볼트(V) 이상의 전압이 필요했지만 이 시스템에서는 훨씬 낮은 0.95볼트(V)에서 수소를 생산했다"고 설명했습니다.

연구진이 구성한 리그닌 분해 및 수소 생성 시스템. 출처: UNIST
연구진이 구성한 리그닌 분해 및 수소 생성 시스템. 출처: UNIST

리그닌이 분해되면서 만들어지는 바닐린(Vanillin)이나 일산화탄소(CO)는 각종 산업공정에 활용될 수 있는 유용한 물질인데요. 공동 1저자인 UNIST 최유리 연구조교수는 "리그닌은 자원량이 풍부하고 가격이 저렴하나 분해가 어려운 소재이지만 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 전했습니다.

 

  • 바닐린(vanilin)

바닐라 향이 나는 방향족 무색의 결정성 고체입니다. 식품에 단맛을 더해주는 향료로서 사용되어 초콜릿, 아이스크림, 사탕 등에 첨가되며 화장품 원료로도 사용됩니다.

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 강조했습니다. 

최유리 연구원, 류정기 교수, 오현명 연구원. 출처: UNIST
최유리 연구원, 류정기 교수, 오현명 연구원. 출처: UNIST

 


##참고자료##

 

 

 

 

 


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