2024.  2.  6.

폐플라스틱에서 수소를?

광화학적 플라스틱 새활용(Plastic Photo-Upcycling) 신소재 개발

폐페트병을 이용한 수소생산 반응에서 98%의 전환율 달성

연구 결과, 국제학술지 ‘Nature Materials’ 게재

□ 고려대학교(총장 김동원) KU-KIST 융합대학원 이병훈 교수가 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단장, 김민호 경희대 응용화학과 교수와의 공동 연구를 통해 태양 빛을 이용하여 폐페트병을 친환경 수소로 전환하는 촉매를 개발했다.

□ 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 시 98%의 PET를 수소로 전환할 수 있었다. 또한 1g의 촉매로 시간당 3.7L의 수소를 생산하며 세계 최고 효율을 달성했다.

□ 이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘Nature Materials’(IF:47:66)에 한국시간 기준 2월 6일에 온라인 게재됐다.

□ 특히 해당 기술은 화학산업 비용을 크게 낮출 수 있는 핵심 촉매 시스템인 원자 분산 촉매를 친환경, 저비용으로 생산할 수 있는 방법을 제시하여 가치가 더 높다. 기존 합성 과정과 비교하여 열에너지를 전혀 사용하지 않고 태양에너지만으로 촉매 생산이 가능하며, 촉매 반응에서 중요한 다양한 금속 원자(백금, 이리듐, 구리)와 산화물(이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화 세륨(CeO2))로 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 IBS 연구진은 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 이용하였다. 이 합성법은 여러 종류의 금속 원자와 금속산화물로 이용될 수 있다는 장점이 있다. 특히 특정한 전자구조를 가지는 Pt 원자와 TiO2의 결합을 이용하여 폐페트병 수소 전환율 98%, 세계 최고효율을 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 계획이다.”라고 말했다.

□ 공동 제1 저자인 이찬우 IBS 나노입자 연구단 연구원은 “무한한 태양에너지를 사용하여 친환경적으로 다양한 고성능의 원자 분산 촉매를 합성할 수 있는 새로운 합성법을 개발했다.”라고 설명했다.

□ 현택환 IBS 나노입자 연구단장은 “합성 과정 중에 필요한 에너지가 태양에너지뿐이고 쉽고 빠르게 합성이 가능한 만큼 산업적 규모로의 확장까지 기대할 수 있을 것”이라고 말했다.

KU-KIST 융합대학원 이병훈 교수 (02-3290-5966)

커뮤니케이션팀 (02-3290-1063)