효모로 맥주 대신 '물 분해 촉매' 제작
효모로 맥주 대신 '물 분해 촉매' 제작
  • 함예솔
  • 승인 2020.04.14 16:45
  • 조회수 1776
  • 댓글 0
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요약

 

맥주나 포도주, 빵 등을 만드는 데 사용하는 미생물, '효모'를 이용해 수소를 생산할 방법이 나왔습니다. 버려진 효모 속에 있는 물질을 이용해 물을 전기분해하는 촉매를 합성한 건데요. 폐기된 효모는 양이 풍부하고 가격도 저렴해 향후 물 분해 수소의 가격을 한층 낮출 것으로 기대됩니다.

효모 구조와 효모로 만든 전기화학촉매. 출처: UNIST
효모 구조와 효모로 만든 전기화학촉매. 출처: UNIST

UNIST 자연과학부 화학과의 김광수 교수(국가과학자)가 이끄는 연구팀은 폐기된 효모를 이용해 물을 수소와 산소로 분리할 저렴한 촉매 물질을 합성하는 데 성공했습니다. 효모 기반 지지체에 루테늄(Ru)과 철(Fe) 기반 물질을 입혀 수소와 산소 발생 모두에서 우수한 성능을 보이는 촉매로 개발했습니다. 해당 연구는 <Nature Sustainability>에 게재됐습니다. 

 

효모에 주목하다

 

수소는 지구상에서 가장 깨끗한 에너지 공급원으로, 친환경적으로 얻으려면 물을 전기분해하면 됩니다. 그러나 물 분자(H₂O) 속 수소와 산소는 아주 강하게 결합하고 있어서 이를 끊는 데 도움을 줄 백금(Pt, 수소 발생 반응용)이나 이리듐(Ir, 산소 발생 반응용) 같은 촉매가 필요했습니다. 하지만 둘은 희귀하고 가격이 비싸며 내구성도 떨어지는 문제가 있었습니다.

 

김광수 교수팀은 백금이나 이리듐 같은 귀금속 촉매를 대체하면서 산소와 수소 발생에 모두 성능을 높일 촉매의 재료로 '폐기된 효모'에 주목했습니다. 효모는 생명체이기 때문에 다 쓰고 버려지더라도 탄소(C)나 인(P), 황(S), 질소(N) 같은 물질이 풍부합니다. 이러한 물질은 전기 전도도를 높일 수도 있고 다른 물질을 붙잡을 수 있는 '작용기'도 있어 금속 입자를 고정하는 데 도움이 됩니다. 이런 특징은 결과적으로 성능 좋은 촉매를 만들 가능성이 존재했습니다.

맥주나 포도주, 빵 등을 만드는 데 사용하는 미생물, '효모'. 출처: Pixabay
맥주나 포도주, 빵 등을 만드는 데 사용하는 미생물, '효모'. 출처: Pixabay

연구팀은 버려진 효모를 지지체로 삼아 수소 발생과 산소 발생을 촉진하는 두 가지 촉매를 만들었습니다. 먼저 수소 발생 반응이 일어나는 음극용 촉매로는 효모에 루테늄 금속 나노입자와 루테늄 단원자를 입혔고 산소 발생 반응이 일어나는 양극용 촉매로는 효모에 자철광(Fe₃O₄)을 입힌 물질을 각각 만든 겁니다. 음극 촉매는 여러 전기・화학적 성능과 내구성에서 백금 촉매보다 매우 뛰어난 성능을 보였고 양극 촉매도 이리듐 촉매보다 훨씬 뛰어난 산소 발생 성능을 보였습니다.

 

특히 두 촉매를 적용한 물의 전기분해 시스템에서는 일반적인 건전지 수준의 전기 에너지를 만드는 태양전지(1.74V 생산)를 이용해 충분한 물 분해 반응(최대 30mA의 전류밀도 기록)을 얻을 수 있었습니다. 또 이 시스템은 태양전지로 생산한 전기 에너지를 가하지 않고 태양광을 비춰주는 것만으로도 물을 산소와 수소로 분해하는 게 가능했습니다.

김광수 교수 연구팀. 출처: UNIST
김광수 교수 연구팀. 출처: UNIST

김광수 교수는 "버려지는 효모에서 얻은 물질을 지지체로 써서 루테늄이나 철 기반의 물질을 입히면서 그 비율을 최적화해 좋은 성능을 가진 촉매를 얻을 수 있었다"며 "폐기되는 효모는 친환경적이고 저렴한 재료인 데다 쉽게 구할 수 있는 바이오매스인데, 이번 연구에서 새로운 활용법을 제시하게 됐다"고 설명했습니다.

 


##참고자료##

 

Tiwari, Jitendra N., et al. "Multi-heteroatom-doped carbon from waste-yeast biomass for sustained water splitting." Nature Sustainability (2020): 1-8.

 


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