- 햇빛 활용, 광화학적 플라스틱 재활용(Plastic Photo-Upcycling) 신소재 개발
- 폐페트병을 이용한 수소생산 반응에서 98%의 전환율 달성
- 논문, SCI급 저명 국제학술지 ‘Nature Materials’ 게재
[위즈뉴스] 국내 연구진이 폐페트병을 친환경 수소로 전환하는 기술을 개발했다.
고려대(총장 김동원)는 6일, KU-KIST 융합대학원 이병훈 교수가 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단장, 김민호 경희대 응용화학과 교수와 공동 연구를 통해 태양 빛을 이용하여 폐페트병을 친환경 수소로 전환하는 촉매를 개발했다고 밝혔다.
이번 연구 결과를 담은 논문은 재료과학 분야의 SCI급 저명 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF=47.66)' 2월 6일자 온라인판에 게재됐다.
논문명은 'Photochemical tuning of dynamic defects for high-performance atomically dispersed catalysts'이며, IBS 현택환 단장과 고려대 KU-KIST융합대학원 이병훈 교수, 경희대 김민호 교수가 공동 교신저자로, IBS 이찬우 연구원이 제1저자로 참여했다.
"태양빛 만으로 쉽고 빠르게 수소 전환... 산업적 규모로 확장 기대"
공동 연구팀의 현택환 단장은 “합성 과정 중에 필요한 에너지가 태양에너지뿐이고 쉽고 빠르게 합성이 가능한 만큼 산업적 규모로의 확장까지 기대할 수 있을 것”이라고 말했다.
우리나라 전체인구가 연간 소비하는 페트병(PET)은 연간 50억 개가 넘는다. 하지만 높은 폐페트병 재활용 비용으로 인해 재활용률이 50%가 되지 않고 폐플라스틱으로 배출되어 환경오염을 야기한다.
공동 연구팀은 최적화된 촉매를 이용하여 폐페트병을 광-개질하여 수소를 생산하는 반응에 적용 했으며, 그 결과 98%의 PET를 수소로 전환할 수 있었다. 또한 1g의 촉매로 시간당 3.7L의 수소를 생산하며 세계 최고 효율을 달성했다.
특히, 해당 기술은 화학산업 비용을 크게 낮출 수 있는 핵심 촉매 시스템인 원자 분산 촉매를 친환경, 저비용으로 생산할 수 있는 방법을 제시했다.
기존 합성 과정과 비교하여 열에너지를 전혀 사용하지 않고 태양에너지만으로 촉매 생산이 가능하며, 촉매 반응에서 중요한 다양한 금속 원자(백금, 이리듐, 구리)와 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화 세륨(CeO2) 같은 산화물로 범용적 적용이 가능한 기술이라는 평가다.
기존의 나노입자 기반의 촉매 시스템은 가격이 비싼 귀금속을 사용할 시 경제성의 문제로 인하여 실제 산업적 규모에 적용되기 힘들다는 단점을 가지고 있다. 더 나아가 나노입자 시스템의 경우, 금속-금속 상호작용의 효과가 지배적이기 때문에 새로운 촉매 반응 거동과 성능을 나타낼 수 있는 금속-지지체 상호작용을 기대하기 힘들다.
이 단점을 극복하고자 공동 연구팀은 빛 에너지를 이용하여 쉽게 구입할 수 있는 상용 산화물 물질 내부에 존재하는 산소 결함들을 의도적으로 표면으로 이동시키고 표면에 노출된 산소 결합 자리들을 단원자들의 결합 자리로 이용했다.
이 합성법은 여러 종류의 금속 원자와 금속산화물로 이용될 수 있다는 장점이 있다. 특히 특정한 전자구조를 가지는 Pt 원자와 TiO2의 결합을 이용하여 폐페트병 수소 전환율을 세계 최고 효율인 98%까지 달성할 수 있었다.
이병훈 고려대 KU-KIST 융합대학원 교수는 “다양한 고성능 원자 분산 촉매를 만들 수 있는 만큼 해당 합성법으로 합성한 촉매를 산업적으로 중요한 반응들에 다양하게 적용해 볼 계획”이라고 말했다.
제1저자인 이찬우 IBS 나노입자 연구단 연구원은 “무한한 태양에너지를 사용하여 친환경적으로 다양한 고성능의 원자 분산 촉매를 합성할 수 있는 새로운 합성법을 개발했다”고 설명했다.
