수소, 그래핀 만드는 촉매로! 알코올의 수소 변환서 촉매로 계란 껍데기 활용 정하나 기자입력2019-05-31 18:39:35

음식물 쓰레기로 여겨졌던 계란 껍데기를 활용해 수소를 생산하는 기술이 나왔다. 알코올을 수소로 바꾸는 반응의 촉매로 사용하는 것인데, 반응 후에는 껍데기 위에 그래핀이 합성된다. 쓰레기를 재활용하면서 수소와 그래핀을 만드는 일석삼조(一石三鳥) 기술이다.

 

UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 계란 껍데기의 주성분인 탄산칼슘으로 산화칼슘을 만들고, 이 물질이 수소와 그래핀을 만드는 촉매로 활용이 가능하다는 것을 밝혀냈다. 산화칼슘을 촉매로 사용함으로써 기존보다 낮은 온도에서 반응이 진행됐으며, 별다른 분리공정 없이 사용이 가능한 수소가 생성됐다. 반응되는 과정에서 산화칼슘 위에 탄소가 얇게 쌓여 그래핀이 합성됐으며, 간단한 처리만 하면 쉽게 떼어내 사용할 수 있다.

수소는 물이나 탄화수소, 알코올 등 수소를 포함한 물질에서 얻는다. 이때 화학 반응을 일으켜야 하는데, 반응마다 적절한 촉매가 필요하다. 산화칼슘은 알코올에서 수소를 만드는 과정에서 우수한 촉매 성능을 보였다.

 

알코올은 식물이나 미생물 등을 발효시켜서 얻으므로, 앞으로도 대량생산이 가능한 친환경 에너지원이다. 알코올 성분이 수소와 탄소, 산소이므로 다른 유용한 형태로 변환할 수도 있다. 이미 예전부터 알코올에 700℃ 이상의 높은 온도를 가해 증기로 만들면서 수소와 탄소 기반의 물질로 바꾸는 기술이 쓰이고 있다. 그러나 700℃ 이상의 고온에서는 수소 외에도 메탄, 일산화탄소, 에틸렌 등의 부산물이 발생한다. 따라서 생산된 기체 중에서 수소만 따로 골라내는 공정이 더 필요하고, 수소 생산단가도 올라가게 된다.

 

백종범 교수팀은 알코올을 이용한 수소 생산의 단점을 촉매로 해결했다. 계란 껍데기를 이용해 만든 산화칼슘을 써서 반응 온도를 500℃로 낮춘 것이다. 그 결과, 생산된 기체의 99%가 수소였고, 그래핀도 산으로 촉매(산화칼슘)를 제거하면 바로 쓸 수 있는 상태로 생산됐다.

 

백종범 교수는 “산화칼슘은 저렴한 물질인 데다 계란 껍데기를 재활용해 만들 수 있으므로 친환경적”이라며 “생산된 수소나 그래핀 모두 별다른 분리 과정 없이 이용할 수 있다는 점에서 경제성도 높다”고 설명했다.

 

제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공학부의 가오-펑 한(Gao-Feng Han) 박사는 이번 연구를 위해 구내식당에서 계란 껍데기를 모으는 일부터 시작했다. 모은 계란 껍데기를 가열해 산화칼슘을 만들고, 이 물질을 알코올의 증기 개질 촉매로 활용해 알코올이 수소와 그래핀으로 변환되는 원리와 이 과정에서 산화칼슘의 역할도 풀어냈다.

 

이번 연구는 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 최신호(4월 19일자)에 게재돼 출판됐다. 중국 지린대학교의 칭 지앙(Qing Jiang) 교수와 지-웬 첸(Zhi-Wen Chen) 연구원도 이번 연구에 참여했다.

 

연구 지원은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 교육부-한국연구재단이 주관하는 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), 창의소재발견프로그램으로 이뤄졌다.

 

 

산화칼슙(CaO)을 이용한 알코올의 개질 과정

바이오매스 알코올은 식물의 광합성해 만든 자원을 기반으로 만들어진다. 이 물질의 구성성분을 활용해 다른 물질로 바꾸는 개질 과정을 진행하면 수소와 탄소 기반의 물질을 얻을 수 있다.

 

★ 연구 이야기 ★

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.

A. 화석연료의 고갈로 인해 화석연료를 대체할 바이오매스(Biomass) 연구가 시작됐다. 특히 바이오매스로부터 대량으로 생산할 수 있는 알코올을 에너지원으로 활용하는 방법이나 알코올을 부가가치가 높은 다른 물질로 바꿔 활용하는 기술이 주요 연구목표가 됐다. 알코올이 포함된 수소만 분리해 차세대 에너지원으로 활용하는 대표적인 사례다.

 

Q. 연구내용은 무엇인가.

A. 본 연구팀은 전통적인 알코올의 증기 개질에서 발생하던 두 문제(수소 분리, 이산화탄소 발생)를 동시에 해결할 촉매(산화칼슘)를 처음으로 제시했다. 알코올의 증기 개질을 통해 얻을 수 있는 순수한 수소의 양을 늘리고 이 과정을 통해서 생성되는 탄소를 그래핀으로 합성하며, 부산물로 배출되는 이산화탄소는 다시 탄산칼륨으로 변환시키는 1석 3조의 기술이다.

 

Q. 기대효과는 무엇인가.

A. 이번에 제시한 기술은 상대적으로 낮은 온도(500℃)에서 개질 반응을 일으켜, 바이오매스 알코올을 고순도의 수소와 활용성 높은 그래핀으로 변환하는 방법이다. 차세대 에너지원과 차세대 에너지 소재로 꼽히는 두 물질이 경제적으로 쉽게 생성될 수 있음을 입증한 연구이기도 하다. 특히 가정에서 쓰레기로만 여겨졌던 계란 껍데기를 가치 있는 물질로 바꾸면서 촉매 가격을 줄이는 기술이라 더욱 의미가 깊다.

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