폐목재로 고부가 화합물 생산하고 수소까지 만든다

촉매만 녹아있는 용액은 노란색(왼쪽)을 띤다. 여기에 리그닌을 넣고 가열하면 리그닌이 분해되면서 전자를 촉매에 주게 된다. 전자를 얻은 촉매는 오른쪽 그림과 같이 진한 초록색을 띠고, 반응생성물인 일산화탄소는 공기 중으로 날아가며, 바닐린은 용액 속에 녹아있게 된다. 리그닌이 분해되면서 나온 전자는 수소 발생 반응을 돕는다. UNIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 폐목재에서 나오는 그리닌이 분해되는 과정에서 생성되는 전자로 수소를 생산하는 기술을 개발했다. 그리닌 등 바이오매스 분해 후 생산된 결과물은 고부가가치 화합물이 되며, 수소 생산 효율도 높이는 일석이조 기술이다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 류정기 교수팀은 20일 바이오매스에 포함된 리그닌을 이용하는 '바이오 연료 시스템'을 개발했다고 밝혔다. 이 시스템은 몰리브덴 촉매로 리그닌을 분해해 고부가가치 화합물을 생산하고, 이 과정에서 추출된 전자를 이용해 수소도 효과적으로 생산한다.

연구팀이 개발한 '촉매를 사용한 리그닌 분해방법'을 이용하면 리그닌을 효과적으로 해중합7)해 고부가가치의 화합물과 수소를 생산할 수 있다. 이 기술은 바이오매스를 기반으로 친환경적으로 기존의 화학연료를 대체할 수 있다. 또 현재 알려진 물의 전기분해 반응의 단점을 보안해 수소뿐만 아니라 다양한 화합물들의 생성에도 활용할 가능성을 열었다.

류정기 교수팀은 산소 발생 반응의 속도를 높이고 단순한 방법을 이용하는 새로운 전자 공급원인 리그닌을 쓰는 바이오 연료 시스템을 개발했다. 이 방법은 몰리브덴 기반의 저렴한 금속 촉매(PMA)를 사용해 낮은 온도에서 리그닌을 분해한다. 그 과정에서 생성되는 전자를 추출해 수소를 만드는 것이다. 이 장치는 리그닌에서 나온 전자가 도선을 따라 수소 발생 반응이 일어나는 전극 쪽으로 이동하도록 설계돼 있다.

오현명 UNIST 에너지공학과 석·박통합과정 연구원은 "높은 에너지와 귀금속 촉매가 필요한 산소 발생 반응이 필요 없기 때문에 일반적인 물의 전기분해보다 적은 에너지(과전압)로 수소를 생산할 수 있다"며 "기존 방식에서는 1.5V 이상의 전압이 필요했지만, 이 시스템에서는 훨씬 낮은 0.95V에서 수소를 생산했다"고 설명했다.

리그닌이 분해되며 만들어지는 바닐린이나 일산화탄소는 각종 산업공정에 활용될 수 있는 유용한 물질이다. 바닐린은 식품에 단맛을 더해주는 향료로서 사용돼 초콜릿, 아이스크림, 사탕 등에 첨가되며 화장품 원료로도 사용된다. 또 일산화탄소는 암모니아 같은 가스 합성이나 니켈 정제 공정에 사용 된다.

최유리 UNIST 연구조교수는 "리그닌은 자원량이 풍부하고, 가격이 저렴하나 분해가 어려운 소재이나, 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 설명했다.

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 강조했다.

이번 연구는 미국화학회가 발행하는 'ACS 카탈리시스'에 1월 3일자로 공개됐다.

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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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