[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이동욱 교수팀은 바닷물에 녹아있는 나트륨 이온을 이용해 전기를 생산하고 저장하는 해수전지를 백금 대신 나무 찌꺼기로 저렴하게 만들었다고 18일 밝혔다. 나무 찌꺼기에서 나온 그리닌을 이용해 만든 해수전지는 과전압이나 전력밀도가 백금을 이용한 것과 근접한 수준을 보였다. 이동욱 교수는 "고가의 귀금속 촉매를 대체할 뿐만아니라, 바이오매스와 산업 폐기물의 가치를 극대화한 탄소중립적 접근법을 제시했다"며, "금속-공기 배터리 등 다양한 에너지 저장 시스템에도 활용할 수 있을 것"이라고 말했다. 연구진은 해수전지 속 백금 촉매 대신 그리닌과 요소로 촉매를 만들었다. 리그닌은 나무의 15~35%를 구성하는 성분으로, 종이를 만드는 공정이나 바이오 연료 생산 과정에서 남는 부산물이다. 또 산업 폐수에 주로 포함된 요소는 질소가 많이 포함돼 있다. 이 리그닌을 800도에서 태운 뒤 요소와 같은 온도에서 반응시키면 리그닌 구석구석 질소가 달라붙어 고성능 촉매가 만들어진다. 리그닌을 구성하는 특정 탄소 원자 자리에 대신 들어간 질소는 방전에 필요한 에너지를 크게 낮추는 역할을 한다. 이렇게 만든 촉매를 해수전지 전극에 입혀 성능을 실험해 본 결과, 백금 촉매와 비슷한 성능을 보였다. 특히 전압 차는 0.71V로 백금 촉매(0.74V)보다 낮아 더 높은 효율성을 보였다. 과전압이 낮을수록 충전시킨 전기에너지 중 방전으로 뽑아 쓸 수 있는 에너지 비율이 높다. 또 최대 전력 밀도가 15.76㎽/㎠로 백금 촉매(16.15㎽/㎠)에 근접한 수준을 기록했다. 최대 전력 밀도는 방전 속도와 관련 있는 지표다. 특히 경제성 평가 결과, 새로 개발한 촉매의 생산 비용은 백금 촉매의 약 30% 수준으로 분석됐다. 이는 상업적 대규모 생산 시 더욱 낮아질 가능성을 보여준다. 연구진은 "실험실 규모의 고가 원료를 사용한 경우에도 경제적 이점을 확보했다는 것은 향후 산업 부산물 및 폐기물을 활용한 생산 공정 개발 시 높은 경제적 잠재력을 지니고 있다는 의미"라고 설명했다. 한편, 연구진은 이번에 개발한 해수전지용 촉매를 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 발표했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 스웨덴왕립공과대(KTH) 연구진이 물과 나무를 이용해 전기를 만드는 수압 목재발전기를 개발했다. 나무와 물만으로도 LED 전구를 켜고, LCD 타이머를 작동시켰다. KTH 바이오복합소재학과 위안위안 리 교수는 "두께 1㎝인 나무 1㎡와 약 2L의 물만으로도 노트북을 작동시킬 수 있다"고 말했다. 세계적 과학저널 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 발표된 논문에 따르면, 나무속 수분이 수증기가 돼 공기중으로 나오는 자연적인 현상인 '증산'을 활용해 전기를 만들어냈다. 위안위안 리 교수는 "나무 나노공학과 pH조정을 통해 적지만 일정량의 전기를 만들었다"고 말했다. 연구진은 발사나무를 80도에서 18시간 동안 아세테이트 완충액(pH 4.6) 용액의 아염소산나트륨에 담가놨다. 이 과정을 거치면 나무속 세포벽을 구성하는 그리닌이 녹아 나무 속의 미세한 구멍들이 더 넓어진다. 연구진은 나무와 물 사이의 pH 차이를 최대치로 만들었다. 그결과, pH1인 목재를 pH13.4인 물에 담가 최대 1V의 전위와 1㎠당 1.35㎼(마이크로와트)의 전력 출력을 얻어냈다. 이 원리를 이용해 1.5㎠ 나무를 알칼리성 물에 담근 장치를 6개 연결해 LED 램프를 켰다. 또한 LCD로 만든 타이머를 작동시켰다. 뿐만아니라 목재 발전기로 200 ~300초동안 1000μF ~ 2.2V 용량의 커패시터를 충전했다. 리 교수는 "지금까지 이 나무가 약 2~3시간 동안 고압의 전기를 공급했으며, 10회 이상 반복적으로 사용해도 성능이 떨어지지 않았다"고 말했다. 이 기술의 가장 큰 장점은 투명 종이, 목재 기반 발포체 및 다양한 생체 복합 재료처럼 나무의 에너지원이 고갈되면 다른 용도로 쉽게 사용할 수 있다. 리 교수는 "나무와 물에서 전기를 생산하는 것은 막대한 양의 깨끗한 에너지를 만들어내는 것"이라며 "우리가 개발한 수압 목재발전기는 나노기술과 물, 나무를 사용해 지리적 위치와 기반시설에 얽매이지 않는 새로운 에너지 생산 기술"이라고 말했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[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. monarch@fnnews.com 김만기 기자