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나무 찌꺼기로 태양광 수소 생산 효율 높인다

기사입력 2022.10.05 10:46
UNIST 연구진 개발, 20시간 동안 생산 효율 97% 유지
  • 목질계 바이오매스에서 전자를 추출하는 시스템과 태양광 수소 생산 시스템 원리 모식도/ UNIST
    ▲ 목질계 바이오매스에서 전자를 추출하는 시스템과 태양광 수소 생산 시스템 원리 모식도/ UNIST

    국내 연구진이 나무에서 나온 찌꺼기 ‘목질계 바이오매스’를 이용, ‘태양광 수소 생산’ 효율을 높이는 기술을 개발하는 데 성공했다. 친환경 에너지의 대표주자인 ‘그린 수소’ 생산 효율을 크게 높일 것으로 기대된다.

    UNIST 에너지화학공학과 류정기·장지욱·장성연 교수팀은 ‘리그닌’을 분해하는 과정 중 추출된 전자를 고효율 수전해 기술에 적용하는 기술 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.

    리그닌은 나무 목재 사용 후 버려지는 목질계 바이오매스 중 하나다. 지금까진 별 쓸모가 없어 폐기 처분됐다. 그 구조가 복잡해 쉽게 분해되지 않기 때문이다. 150℃ 이상의 고온과 고압을 가해도 경제성 낮은 화합물이 생성돼 처리에 애를 먹었다. 하지만 리그닌은 목질계 바이오매스에서 차지하는 비중이 20~30%으로 크다. 때문에 이를 유용한 물질로 만들려는 시도는 꾸준히 진행되고 있다.

    UNIST 연구팀도 목질계 바이오매스에서 리그닌을 분해해 유용한 물질로 만들고자 했다. 이를 위해 ‘인몰리브덴산(PMA)’를 촉매로 저온(60℃)에서 화학반응을 일으켰다. 그 결과, 목질계 바이오매스 내에서 리그닌만 분해돼 ‘바닐린’이라는 유용한 물질이 만들어졌다. 바닐린은 달콤한 향이 나는 방향족 결정성 고체다. 우리가 흔히 먹는 ‘바닐라 아이스크림’에 들어가는 재료가 바로 바닐린이다.

    이때 연구팀은 리그닌이 바닐린으로 변하는 과정에서 나온 전자를 수소 생산 기술인 ‘수전해 ’기술에 적용하는 방법을 고안했다. 수전해는 물을 전기로 분해해 수소를 얻는 기술이다. 친환경 에너지 생산 기술의 대표로 꼽히지만, 높은 생산 비용과 수소 생산 시 발생하는 산소로 인한 폭발 위험 등의 문제가 있다.

    연구팀은 이 문제를 해결하고자 리그닌의 변환 중에 얻은 전자를 활용해 산소 발생을 막는 수전해 시스템을 설계했다. 또 가시광선 전체 영역의 빛을 흡수하는 ‘페로브스카이트 광전극’을 적용해 수소 생산량을 늘리고자 했다. 그 결과, 태양광 아래에서 20시간 동안 97%의 생산 효율을 유지하는 안정적 수소 시스템 개발에 성공했다. 또 수소생산 과정에서 산소도 발생하지 않아 폭발의 위험성도 없었다.

    류정기 교수는 “이 시스템을 이용하면 기존 태양광 수전해 시스템보다 적은 에너지로 그린 수소를 생산할 수 있다”며 “쓸모없는 나무 찌꺼기를 효과적으로 활용할 수 있는 경제적 기술이기도 하다”고 말했다. 

    이번 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 10월 3일자로 게재됐다.

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