- 신소재공학부 이상한 교수팀, 장시간 구동에도 성능 유지(종전 3시간 → 18시간 이상, 86.1% 효율)되는 태양에너지 변환 시스템 개발… 산업폐기물(글리세롤)로부터 화장품 및 항암 항생제 원료(글리세르알데하이드) 생산하면서 동시에 그린 수소도 생산

- “태양에너지 활용 산업폐기물 변환의 한계 극복” 국제학술지 《Small》게재

GIST 신소재공학부 이상한 교수 연구팀이 태양에너지를 활용해 산업폐기물인 글리세롤을 화장품 및 항암 항생제 원료로 사용되는 글리세르알데하이드로 변환하는 기술을 개발했다. 연구팀은 산소 공극 제어 기술을 도입해 18시간 이상 86.1%의 생산물 변환 효율을 유지하는 데 성공했다.

▲(왼쪽부터) 이상한 교수, 정윤성·김승환 석박사통합과정생

태양에너지를 활용하여 산업폐기물을 고부가가치 제품으로 만드는 기술이 주목받고 있다. 이를 위해선 광전극(빛을 흡수해 전자를 방출하거나 흡수하여 전기 에너지를 생성하거나 화학 반응을 촉진하는 매개체)이 충분히 긴 시간 동안 성능을 유지해야 하지만 지금까지의 태양에너지 변환 시스템에서는 이것이 불가능했다.

국내 연구진이 저렴하면서도 효율성과 안정성이 높은 소재를 이용해 장시간 고부가가치 물질 생산이 가능한 태양에너지 변환 시스템을 선보였다.

광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 이상한 교수 연구팀이 산업폐기물인 글리세롤로부터 화장품이나 항암 항생제의 원료로 사용되는 글리세르알데하이드를 생산할 수 있는 태양에너지 변환 시스템을 개발했다고 밝혔다.

글리세르알데하이드는 글리세롤 산화반응을 통한 생성물 중 하나로 화장품 산업에서 피부관리 제품의 원료나 제약산업에서 항암 혹은 항생제 제품의 원료로 사용된다.

글리세롤은 주로 환경친화적인 바이오디젤* 연료의 제조 과정에서 생산되는 부산물로서 현재 과도한 공급에 의해 많은 양이 바이오매스*로 폐기되고 있다.

 * 바이오디젤: 식물성 기름이나 동물성 지방을 원료로 하여 만든 재생 가능 연료이다. 재생 가능하고 지속 가능한 에너지 자원으로 화석 연료 기반의 디젤을 대체할 수 있는 환경친화적 에너지원이다.

 * 바이오매스: 바이오매스는 에너지나 자원으로 이용할 수 있는 식물, 동물, 미생물 등에서 비롯된 유기물질을 의미하며, 화석연료와 달리 친환경적이고, 순환할 수 있는 에너지원이다.

폐기물을 고부가가치 물질로 전환하는 과정에서 활용 가치가 없는 물질도 쉽게 생성될 수 있기 때문에 이 작업은 매우 도전적일 뿐만 아니라 폐기물에 의한 시스템 오염은 장시간에 걸친 태양에너지 변환 시스템의 구동을 저해한다. 그러므로 광전기화학 반응을 통한 산업폐기물의 고부가가치화를 실용화하기 위해선 장시간 구동되는 동안 성능 저하 없이 고부가가치 생성물 변환이 가능하도록 하는 기술 개발이 필요하다.

연구팀은 산소 공극 제어 기술(Oxygen vacancy engineering technique)*을 도입하여 광전극 표면에 국한된 산소 공극 제어에 성공했다. 기존의 시스템이 3시간 동안 구동할 수 있었던 것과 비교하여, 이 기술이 접목된 광전극을 사용한 태양에너지 변환 시스템은 18시간 이상 86.1%의 생산물 변환 효율을 유지하였다.

* 산소 공극 제어 기술: 산소 공극은 산화물 결정 구조에서 산소 원자가 결핍된 상태로서 물질의 전자적, 구조적, 화학적 성질에 큰 영향을 미치며, 산소 공극 제어 기술은 산화물 결정 구조에서 원하는 영역에서만 공극을 제어할 수 있는 기술이다.

▲산소 공극 조정된 광전극의 모식도. 이렇게 제작된 광전극은 태양에너지를 이용하여 글리세롤을 글리세르알데하이드로 변환시킨다.

이는 현재까지 보고된 글리세롤 대상의 태양에너지 변환 시스템 관련 연구 결과 중 최고의 효율성과 안정성을 보여준다고 연구팀은 설명했다. 또한 2.58 mA·cm-2의 높은 광전류와 378.8 mmol·m-2·h-1의 높은 고부가가치 물질 생산효율을 달성했다.

연구팀은 또한 글리세롤로부터 글리세르알데하이드를 생산하는 과정에서 산화반응과 함께 발생하는 환원반응을 이용한 그린 수소의 생산에도 성공했다. 이를 통해 산업폐기물 변환과 동시에 수소 생산이 가능한, 경제적이고 친환경적인 시스템 구현의 가능성을 제시하였다.

▲본 연구팀이 개발한 산소 공극이 조정된 광전극의 성능평가. 본 연구팀의 광전극은 성능의 큰 저하 없이 장시간 동안 유지되었고, 이는 현재까지 보고된 글리세롤 관련 연구 중에서 가장 높은 안정성과 수치를 보여 준다.

이상한 교수는 “이번 연구를 통해 산업폐기물 변환에서 큰 이슈인 효율성 및 안정성 문제를 극복했으며, 특히 이를 기반으로 태양에너지 변환 시스템은 폐기물 고부가가치화 및 수소 생산 기술의 실용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.

이상한 교수가 주도하고 정윤성·김승환 석박사통합과정생이 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 도시형 생활폐기물 가스화 물질 혁신적 전환 선도연구센터 사업, 미래수소 원천기술개발 사업 및 GIST-MIT 공동연구 사업 등의 지원을 받아 수행되었으며, 응용물리 분야 상위 7% 국제학술지《Small》(IF=13.0)에 2024년 10월 24일 온라인 게재되었다.

용어 해설

1. 바이오매스

○  바이오매스는 에너지나 자원으로 이용할 수 있는 식물, 동물, 미생물 등에서 비롯된 유기물질을 의미하며, 화석연료와 달리 친환경적이고, 순환 가능한 에너지원이다. 특히나 폐기물계 바이오매스는 농업, 산업, 가정 등에서 발생하는 폐기물을 에너지로 활용하는 바이오매스의 한 유형이다.

1. 고부가가치화

○  고부가가치화는 연료나 원료로써 사회에 무가치한 자원이나 폐기물을 부가가치가 높은 제품으로 변환하는 것을 의미한다. 특히 바이오매스 기반 고부가가치의 제품들은 탄소 순환을 원활하게 하여 자원의 소비를 줄이고, 환경오염을 줄이며, 경제적 가치를 극대화시킬 수 있는 기술입니다.

1. 태양에너지 변환

○ 태양에너지 변환은 태양에너지를 이용하여 오염물질 배출 없이 에너지원을 변환시키는 대표적인 방법이다. 태양에너지가 반도체 광전극에 공급되면 전자-정공 쌍이 생성되게 되는데, 이를 통해 광양극에는 광생성된 정공으로 산화반응을, 음극에는 전자로 환원반응을 유도하여 친환경적으로 목표 물질의 에너지 전환이 가능하다.