바이오매스 기반 물질 합성과 수소 생성을 동시에
바이오매스 기반 물질 합성과 수소 생성을 동시에
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.24 15:30
  • 조회수 362
  • 댓글 0
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연세대학교 화학과 김병수 교수 연구팀이 바이오매스 기반의 고부가가치 물질 합성과 수소를 동시에 생성해낼 수 있는 전기화학 시스템을 개발했습니다. 해당 연구는 <ACS Nano>에 게재됐습니다. 

HMF 산화 반응과 수소 생성 전기화학 반응 모식도. 출처: 연세대학교
HMF 산화 반응과 수소 생성 전기화학 반응 모식도. 출처: 연세대학교

바이오매스 기반 물질과 수소 생성 동시에

 

수소 연료는 에너지 밀도가 높고 온실가스 등의 유해물질을 배출하지 않기 때문에 미래 친환경 에너지로 각광받고 있습니다. 특히 물분해 방식을 통한 친환경적 수소 생성 반응에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 그러나 기존의 물분해 방식은 높은 비용을 필요로 하고, 특히 양극(anode)의 산소 발생 반응에 높은 에너지가 요구된다는 한계가 있습니다.

 

김병수 교수팀은 이를 극복하기 위해 산소 발생 반응 대신 5-하이드록시메틸푸르푸랄(hydroxymethylfurfural, HMF) 산화 반응을 적용해 푸란디카르복시산(furandicarboxylic acid, FDCA) 물질을 합성하고자 했습니다. HMF는 셀룰로오스나 목질 섬유소 등의 바이오매스로부터 얻을 수 있는 물질로 여러 유기 반응을 통한 활용 가치가 매우 높습니다. 특히 HMF의 산화 생성물인 FDCA는 차세대 친환경 고분자 합성을 위한 단량체, 바이오 연료, 의약 산업 등에서의 활용이 기대되는 물질입니다. 

Layer-by-layer assembly를 통한 전극 제조와 전기화학 반응 시스템 적용. 출처: 연세대학교
Layer-by-layer assembly를 통한 전극 제조와 전기화학 반응 시스템 적용. 출처: 연세대학교

연구팀은 본 연구에서 제시한 시스템을 통해 전체 전기화학반응의 효율을 높일 뿐만 아니라 수소 생성과 더불어 고부가가치 물질을 동시에 합성할 수 있다는 강점을 끌어냈습니다. 특히 전극의 구조를 다층박막적층법(layer-by-layer assembly)을 통해 나노 단위로 정교하게 조절했고, 전극 구조와 전기화학 성능의 상관관계를 면밀히 규명했습니다. 이를 통해 같은 물질을 사용함에도 전극 내 구조에 따라 전기화학 촉매 성능이 확연하게 차이날 수 있음을 증명했습니다.

 

제1저자로 이번 연구를 주도한 박민주 박사는 "기존의 물분해 반응 연구는 새로운 전기화학촉매 물질 개발에 집중돼 있었으나 이론적인 열역학 에너지 장벽의 한계가 존재했다"며 "본 연구에서는 새로운 접근 방법으로 필요 에너지 장벽이 낮으면서도 부가 가치가 높은 산화물을 합성할 수 있는 반응을 적용했다는 점에서 이전 연구들과는 확연한 차별성을 가진다"고 설명했습니다.

  • 다층박막적층법(layer-by-layer assembly)

양전하를 가지는 물질과 음전하를 가지는 물질간의 정전기적 인력을 이용하여 다양한 표면 위에 다층 박막을 적층시킬 수 있는 기술입니다. 

  • 전기화학반응

물질간의 전자 이동을 통해 일어나는 산화 또는 환원 반응을 뜻한다. 본 연구에서는 양극에서 HMF가 전자를 잃고 FDCA로 산화 되는 반응이 일어나며, 음극에서는 물이 전자를 전달 받아 수소 기체로 환원됩니다. 

김병수 교수는 "다층 박막 제조법을 통해 손쉽게 전극 구성 물질과 구조를 나노 단위로 정교히 조절 가능하다”며 “추후 다양한 유기 반응의 용도에 맞게 전극 제조가 가능하기 때문에 그 응용 분야가 무궁무진할 것으로 기대된다"고 평가했습니다.


##참고자료##

 


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