[기계신문] 탄화수소에 기반한 석탄이나 석유 같은 에너지 공급원은 근본적으로 매장량에 한계가 있다. 또 에너지를 생성하는 반응의 부산물로 이산화탄소를 만들어내 지구온난화와 같은 환경적 문제를 야기한다. 이에 따라 국제적·국가적으로 탄화수소 자원을 규제하고 차세대 에너지원에 대한 투자 및 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

재생 가능한 친환경 에너지 공급원으로 수소가 각광 받고 있으며, 이 수소를 만들 방법 중에는 전기·화학적인 ‘수전해 반응(물의 전기분해)’을 이용해 수소를 추출하는 기술이 있다. 물의 전기분해는 음극에서 나타나는 ‘수소 발생 반응(HER)’과 양극에서 나타나는 ‘산소 발생 반응(OER)’으로 이뤄지는데, 두 반응이 모두 잘 일어나야 전기분해가 잘 이뤄진다.

하지만 수소 발생 반응과 산소 발생 반응의 전극 촉매로 쓰이는 백금(Pt) 및 이리듐(IrO₂) 기반의 촉매는 고가이며 매장량이 한정돼 있다. 따라서 이를 대체할 정도로 전기·화학적 활성도가 우수하면서 내구성이 뛰어난 전극 촉매 물질 개발을 위한 다양한 연구가 이뤄지고 있다.

최근 UNIST 자연과학부 화학과 김광수 교수 연구팀이 폐기된 효모를 이용해 물을 수소와 산소로 분리할 저렴한 촉매 물질을 합성하는 데 성공했다. 효모 기반 지지체에 루테늄(Ru)과 철(Fe) 기반 물질을 입혀 수소와 산소 발생 모두에서 우수한 성능을 보이는 촉매로 개발해냈다.

연구팀은 백금이나 이리듐 같은 귀금속 촉매를 대체하면서 산소와 수소 발생에 모두 성능을 높일 촉매의 재료로 ‘폐기된 효모’에 주목했다. 효모는 생명체이기 때문에 다 쓰고 버려지더라도 탄소(C)나 인(P), 황(S), 질소(N) 같은 물질이 풍부하다.

이러한 물질은 전기 전도도를 높일 수도 있고, 다른 물질을 붙잡을 수 있는 ‘작용기’도 있어 금속 입자를 고정하는 데 도움이 된다. 이런 특징은 결과적으로 성능 좋은 촉매를 만들 가능성이 된다.

▲ 효모 구조와 효모로 만든 전기화학촉매. 폐기된 효모(왼쪽)에서 루테늄 단일원자와 자철광을 이용해 수소와 산소를 발생하는 탁월한 물 분해 촉매(오른쪽)를 개발했다.

연구팀은 버려진 효모를 지지체로 삼아 수소 발생과 산소 발생을 촉진하는 두 가지 촉매를 만들었다. 먼저 수소 발생 반응이 일어나는 음극용 촉매로는 효모에 루테늄 금속 나노입자와 루테늄 단원자를 입혔고, 산소 발생 반응이 일어나는 양극용 촉매로는 효모에 자철광(Fe₃O₄)을 입힌 물질을 각각 만들었다.

음극 촉매는 여러 전기·화학적 성능과 내구성에서 백금 촉매보다 매우 뛰어난 성능을 보였고, 양극 촉매도 이리듐 촉매보다 훨씬 뛰어난 산소 발생 성능을 보였다.

특히 두 촉매를 적용한 물의 전기분해 시스템에서는 일반적인 건전지 수준의 전기 에너지를 만드는 태양전지(1.74V 생산)를 이용해 충분한 물 분해 반응(최대 30mA의 전류밀도 기록)을 얻을 수 있었다. 또 이 시스템은 태양전지로 생산한 전기 에너지를 가하지 않고 태양광을 비춰주는 것만으로도 물을 산소와 수소로 분해하는 게 가능했다.

김광수 교수는 “버려지는 효모에서 얻은 물질을 지지체로 써서 루테늄이나 철 기반의 물질을 입히면서 그 비율을 최적화해 좋은 성능을 가진 촉매를 얻을 수 있었다”며 “폐기되는 효모는 친환경적이고 저렴한 재료인 데다 쉽게 구할 수 있는 바이오매스인데, 이번 연구에서 새로운 활용법을 제시했다”고 설명했다.

한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 ‘국가과학자지원사업’을 통해 이뤄진 이번 연구는 티와리(Tiwari) UNIST 자연과학부 연구교수가 공동교신저자로 참여했으며, 연구 결과는  'Nature Sustainability’에 4월 6일자로 출판됐다.

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