환경 친화적인 혁신기술, 태양빛으로 플라스틱 페트병을 수소로! 상용화는 어떻게?

한국의 연구팀이 태양빛을 이용해 폐 패트병을 친환경 수소로 전환하는 촉매를 개발 했습니다. 이 촉매는 수소 전환율이 98%로 세계 최고 수준을 기록했습니다. 이 연구팀에는 고려대학교의 이병훈 교수, 기초과학연구원(IBS)의 나노입자연구단장 현택환, 그리고 경희대학교의 김민호 응용화학과 교수가 포함되어 있습니다.

 

 

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[그림 1] 연구진이 개발한 합성법의 모식도 및 합성한 촉매의 전자 현미경 사진 - ibs 기초과학연구원 이미지 출처

 

연구진은 새로운 촉매 합성법을 개발하여, 광화학적 방법을 이용해 산화물(이산화티타늄, 산화아연, 산화 세륨 등)의 표면 산소 결함을 조절하였습니다.

 

이 방법을 통해, 산화물 내부에서 산소가 빠져나가면서 생기는 산소 결함을 표면으로 이동시켰습니다. 이렇게 표면에 노출된 산소 결함은 금속 원자(백금, 이리듐, 구리 등)의 결합 위치로 활용되었습니다.

 

이렇게 합성된 촉매는 원자 분산 촉매로, 각 금속 원자가 개별적으로 분산되어 있어 촉매의 활용도를 극대화하였습니다. 이 촉매 합성법은 다양한 종류의 금속 촉매와 산화물에 범용적으로 적용 가능하며, 이를 통해 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.

 

[그림 2] 연구진이 개발한 촉매의 광촉매 반응 성능 - ibs 기초과학연구원 이미지 출처

 

연구진은 원자 분산 백금/이산화티타늄 촉매를 개발하여 광촉매적 수소 발생 반응에 정요하였습니다. 1 촉매는 1g당 시간당 최대 3.7L의 수소를 생산하는 능력을 보였습니다. 이는 세계 최고 효율을 나타내는 결과입니다.

 

또한, 이 촉매는 폐 페트병 광·개질 반응에도 적용되었습니다. 이 반응에서는 폐 페트병의 최대 98%가 수소로 전환되는 높은 효율을 보였습니다. 이는 기존에 보고된 가장 우수한 성능을 가진 촉매보다 10배 이상 높은 성능을 나타냅니다.

 

이러한 결과는 태양 에너지만을 이용하여 상온에서 원자 분산 촉매를 합성하는 새로운 방법을 통해 달성되었습니다. 이 방법은 다양한 금속 촉매와 산화물에 범용적으로 적용 가능하며, 화학산업 비용을 크게 낮출 수 있을 것으로 디대됩니다.

 

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이 연구의 중요성은 두가자입니다.

 

첫째, 우리나라에서는 연간 50억 개 이상의 페트병이 배출되며, 이 중 재활용되는 비율은 50%에 불과합니다. 이 촉매를 사용하면 폐 페트병의 98%를 수소로 전환할 수 있어, 환경 오염 문제를 해결하는 데 크게 기여할 수 있습니다.

 

둘째, 이 촉매는 1g당 시간당 3.7ℓ수소를 생산 할 수 있어 세계 최고의 효율을 자랑합니다.

 

이 연구는 기존에 사용되던 고가의 귀금속 기반 촉매를 친환경적이고 저비용으로 대량 생산 할 수 있는 새로운 촉매 합성법을 제시했다는 점에서도 중요합니다. 이 촉매는 태양 에너지만을 이용해 다양한 고성능의 원자 분산 촉매를 합성할 수 있는 새로운 합성법을 개발했습니다.

 

이번 연구 결과는 세계적인 권위를 가진 국제 학술지'네이처 머터리얼즈 (Nature Materials)'에 게재되었습니다.

 

이 연구의 세부적인 내용을 살펴보면, 이 연구팀은 태양빛을 이용해 폐 페트병을 광개질해 페트병 98%를 수소로 전환하는데 성공 했습니다. 개발한 촉매 1g으로 시간당 3.7ℓ의 수소를 생산할 수 있어 세계 최고의 효율을 자랑한다고 고려대학교는 설명했습니다. 특히, 이 기술은 기존 고가의 귀금속 기반 비싼 귀금속을 사용하기 때문에 경제성 문제가 있고 산업에 대규모로 사용하기 어렵다는 단점이 있었습니다.

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이찬우 IBS 나노입자연구단 연구원은 "무한한 태양에너지를 사용해 친환경적으로 다양한 고성능의 원자 분산 촉매를 합성할 수 있는 새로운 합성법을 개발했다"고 연구 의의를 밝혔습니다. 이병훈 교수는 "다양한 고성능 원자 분산 촉매를 만들 수 있게 된 만큼 이 합성법으로 합성한 촉매를 산업적으로 중요한 반응들에 다양하게 적용해 볼 계획"이라고 말했습니다.