▲ 태양광을 이용한 폐플라스틱 수소 생산 시스템(출처: 기초과학연구원)

국내 연구진이 폐플라스틱과 태양광을 활용한 수소 생산기술을 개발해 친환경 촉매 기술의 상용화에 기여할 전망이다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영)은 나노입자 연구단 김대형 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수)과 현택환 연구단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수), 김민호 교수(경희대학교 응용화학과 조교수) 공동연구팀이 햇빛만으로 폐페트병에서 수소를 생산할 수 있는 친환경 고효율 광촉매 시스템을 개발했다고 11일 밝혔다.

이번 기술의 핵심은 광촉매를 고분자 하이드로겔(Hydrogel)로 감싸 안정화시키는 시스템으로, 기존 기술 대비 내구성이 4배 이상 향상됐고, 현장 적용성과 확장성 측면에서도 높은 평가를 받았다.

수소는 최근 주목받고 있는 차세대 청정 에너지원이지만, 현재 널리 사용되고 있는 메테인 수증기 개질(Methane steam reforming)방식은 고온·고압 조건에서 많은 에너지를 소모하고, 온실가스를 다량 배출한다는 한계가 있다. 이에 비해 광촉매 기반 수소 생산 기술은 태양에너지를 사용하고 온실가스의 배출이 적지만, 고효율 광촉매 반응의 경우 극한 반응 조건에서 촉매의 안정성과 수명을 심각하게 저해하는 한계가 있었다.

이에 IBS 연구진은 광촉매를 고분자 네트워크로 안정화한 뒤, 반응을 물-공기 경계면에서 유도하는 새로운 전략을 제안했다. 이를 통해 기존 분말 촉매의 손실이나 반응 저하 없이 수소 생산성과 내구성을 동시 확보하는 것에 성공했고, 강알칼리 조건에서도 두 달 이상 성능을 유지해 높은 내구성을 입증했다.

또한 바닷물, 수돗물 등 다양한 수질 환경에서 작동 가능해 실용성과 확장성 측면에서도 매우 우수함을 입증했다. 실용성과 산업 현장에서의 적용가능성을 확인하기 위해 폐페트병을 원료로 자연광 하에서의 1m2의 대면적 조건에서 실험을 진행해 수소를 생산하는 데 성공했으며, 10-100 m2 규모의 시뮬레이션과 경제성 분석을 통해 온실가스 배출 없이 저비용으로 수소 생산이 가능함을 증명했다.

김대형 부연구단장은 “폐플라스틱을 에너지 자원으로 전환하는 기술로 환경 문제 해결과 청정에너지 확보라는 두 가지 과제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 길을 제시했다”며, “재료 설계부터 반응 환경까지 통합적으로 접근함으로써 친환경 촉매 기술의 상용화 가능성을 한층 앞당긴 성과”라고 말했다.

현택환 연구단장은 “자연광과 폐기물, 다양한 수질 환경 등 실제 조건에서도 고효율·고내구성을 유지할 수 있음을 입증한 매우 드문 사례”라며, “기초과학 기반의 혁신 기술이 산업적 확장성과 사회적 파급력을 동시에 갖춘 단계로 발전한 만큼 수소 기반 탄소중립 시대를 앞당길 수 있는 핵심 기술로 자리매김할 것”이라고 밝혔다.

공동 제1저자인 이왕희 MIT 박사후과정 연구원은 “이번 연구는 실험실의 정제된 조건을 넘어 실제 환경에서도 장기적으로 작동할 수 있는 고안정성 광촉매 시스템을 설계했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 설명했다.