폐플라스틱 쓰레기가 에너지로! 수소 전환 기술 개발

IBS 연구진이 폐플라스틱을 수소로 전환하는 세계 최고 효율의 촉매를 개발했습니다. 태양광만을 이용하여 상온에서 작동하는 이 촉매는 1g으로 시간당 3.7L의 수소를 생산하며, 폐플라스틱의 98%를 수소로 전환하는 놀라운 성능을 보여줍니다. 이 혁신적인 기술은 폐플라스틱 문제 해결과 친환경 에너지 생산에 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다.

목차

 

▲ 연구진이 개발한 합성법의 모식도 및 합성한 촉매의 전자 현미경 사진

• 연구진은 빛 에너지를 통하여 산화물(이산화티타늄, 산화아연, 산화 세륨)의 광화학적 표면 산소 결함 조절하고, 산업적으로 중요한 금속 원자(백금, 이리듐, 구리)를 결합시킬 수 있는 범용적 원자 분산 촉매 합성법을 개발했다.

혁신적인 촉매 기술 1g으로 시간당 3.7L 수소 생산

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수)은 이병훈 고려대 KU-KIST 융합대학원 조교수(前 IBS 나노입자 연구단 연구원), 김민호 경희대 교수팀과 공동으로 단 1g으로 시간당 3.7L의 수소를 생산하는 세계 최고 효율의 촉매를 개발했습니다. 이는 기존 촉매보다 10배 이상 높은 효율이며, 수소 생산 분야에서 획기적인 진전으로 평가됩니다.

 

▲ 연구진이 개발한 촉매의 광촉매 반응 성능

• 연구진이 개발한 합성법을 통해 생산한 원자 분산 백금/이산화티타늄 촉매는 광촉매적 수소 발생 반응에 적용 시 1g의 촉매를 이용하여 시간당 최대 3.7L의 수소를 생산해낼 수 있었으며(왼쪽), 폐페트병 광-개질 반응에 적용 시 최대 98%의 페트병의 수소로의 전환율을 달성할 수 있었다.

폐플라스틱 98% 수소 전환 성공

개발된 촉매는 폐플라스틱을 수소로 전환하는 데에도 놀라운 성능을 보여주었습니다. 플라스틱을 수산화칼륨(KOH) 용액에 녹인 뒤 촉매를 투입했을 때, 40시간 동안 98%의 폐플라스틱을 수소로 전환했습니다. 이는 폐플라스틱 문제 해결과 친환경 에너지 생산에 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다. 또한, 폐플라스틱을 가치 있는 에너지 자원으로 전환하여 경제적 가치를 창출할 수 있는 가능성을 열었습니다.

상용 산화물 기반 저렴하고 효율적인 촉매

이 촉매는 이산화티타늄(TiO2)처럼 쉽게 구할 수 있는 상용 산화물을 지지체로 활용했습니다. 이는 기존 귀금속 기반 촉매보다 저렴하고 효율적이며, 대량 생산에 적합합니다. 또한, 태양 빛만을 이용하여 상온에서 작동하기 때문에 에너지 효율적입니다.

폐플라스틱 문제 해결과 미래 에너지 문제 해결의 희망

폐플라스틱은 환경 오염의 주범 중 하나이며, 처리 문제는 심각한 사회 문제입니다. 개발된 촉매는 폐플라스틱을 가치 있는 에너지 자원으로 전환하여 환경 문제 해결에 기여할 것으로 기대됩니다. 또한, 수소는 미래 에너지원으로 주목받고 있으며, 폐플라스틱에서 수소를 생산하는 기술은 미래 에너지 문제 해결에도 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.

연구 결과 발표 및 기대 효과

이 연구 결과는 2월 6일 01시(한국시간) 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF 41.2)’ 온라인판에 실렸습니다. 이 혁신적인 기술은 폐플라스틱 문제 해결, 친환경 에너지 생산, 미래 에너지 문제 해결 등 다양한 분야에서 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.

향후 연구 방향

연구팀은 향후 다양한 종류의 폐플라스틱을 수소로 전환할 수 있는 촉매 개발, 촉매의 안정성을 향상시키는 연구, 촉매의 생산 비용을 절감하는 연구 등을 진행할 계획입니다. 또한, 폐플라스틱 수소 전환 기술을 실제 산업 현장에 적용할 수 있도록 노력할 것입니다.

연구 추가 설명

논문명

Photochemical tuning of dynamic defects for high-performance atomically dispersed catalysts

저자정보

이찬우(공동 제1저자, IBS/서울대), 이병훈(공동 제1저자, 공동교신저자, IBS, 고려대), 박승학(공동 제1저자, 서울대), 정윤(IBS/서울대), 한재범(경희대), 허준혁(IBS/서울대), 이강재(IBS/서울대), 고원재(IBS/서울대), 유승우(IBS/서울대), 부타라주(IBS), 류재윤(서울대), 남기태(서울대), 김민호(공동교신저자, 경희대), 현택환(공동교신저자, 연구책임자, IBS)

연구내용 보충설명

[연구 배경]

원자 분산 촉매는 기존의 나노입자 촉매 시스템과 비교하여 원자 사용 효율을 극대화할 수 있어 산업적 비용을 크게 낮출 수 있다. 또한, 이전에는 기대하기 힘들었던 금속-지지체 상호작용의 효과를 극대화할 수 있어 새로운 촉매 반응 거동을 유도함과 더불어 반응 성능을 크게 향상시킬 수 있는 촉매 시스템이다.

하지만 기존에 알려진 원자 분산 촉매 합성의 경우, 복잡한 바텀업 합성과정이나 고온-고압의 반응 조건을 수반하고 이마저도 특정한 금속 원자와 지지체에 국한적으로 적용 가능하다는 한계점을 가지고 있었다. 이에 우리는 다양한 금속 원자와 지지체에 적은 에너지를 사용하고 범용적으로 적용할 수 있는 새로운 촉매 합성법을 개발하고자 본 연구를 시작하였다.

[성과 차별점]

본 합성법은 전기에너지나 열에너지를 전혀 사용하지 않고 빛 에너지만을 이용하여 산업적으로 중요한 다양한 금속 원자(백금, 이리듐, 구리)와 촉매 지지체(이산화티타늄, 산화아연, 산화 세륨)를 이용한 원자 분산 촉매를 범용적으로 합성할 수 있는 기술이다.

특히, 해당 합성법을 이용하여 합성한 촉매들은 담지한 금속 원자와 지지체가 특정한 상호작용을 가지고 결합하여 형성되며 그 결과 특정 결합 자리에 균일하게 금속 원자가 결합하게 되어 균일한 반응 활성 자리를 형성시킬 수 있다.

이러한 결합특성은 촉매 반응에서의 높은 활성도와 안정성으로 이어질 수 있으며, 본 합성법으로 생산한 원자 분산 백금/이산화티타늄은 세계 최고 효율의 광촉매적 수소 발생 반응(3.7L/g·h)과 폐플라스틱을 이용한 수소생산 성능(98% of conversion over 40h)을 보여줬다.

[향후 연구계획]

이번 연구에서 보여준 광촉매 반응 이외에도 본 합성법을 통해 합성한 촉매들의 경우 다른 광촉매 반응 및 산업적으로 중요한 열촉매 반응에 사용 가능할 것으로 기대되며 실제로 연구를 진행 중이다. 또한, 이번 연구에서 보여준 금속 원자들과 지지체 이외에 다른 원자 및 지지체에도 쉽게 확장될 수 있을 것이라 기대되며 관련 후속 연구를 진행 중이다.

 

폐플라스틱 수소 전환 촉매 개발은 폐플라스틱 문제 해결과 친환경 에너지 생산에 중요한 진전입니다. 이 혁신적인 기술은 미래 에너지 문제 해결에도 기여할 것으로 기대됩니다.

 

 

출처 : 기초과학연구원

 

해양 미세플라스틱 저감, 스티로폼 부표 신규 설치 전면 금지