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연구 

폐플라스틱에서 수소를? 광화학적 플라스틱 새활용 신소재 개발
  • 글쓴이 : 커뮤니케이션팀
  • 조회 : 3016
  • 일 자 : 2024-02-06


폐플라스틱에서 수소를?
광화학적 플라스틱 새활용(Plastic Photo-Upcycling) 신소재 개발
폐페트병을 이용한 수소생산 반응에서 98%의 전환율 달성 
연구 결과, 국제학술지 ‘Nature Materials’ 게재

 

 

(왼쪽부터) 현택환 석좌교수(교신저자, IBS 나노입자 연구단장 및 서울대 화학생물공학부), 이병훈 교수(교신저자, 고려대 KU-KIST융합대학원), 이찬우 연구원(제1저자, IBS 나노입자 연구단)

▲ (왼쪽부터) 현택환 석좌교수(교신저자, IBS 나노입자 연구단장 및 서울대 화학생물공학부), 

이병훈 교수(교신저자, KU-KIST융합대학원), 이찬우 연구원(제1저자, IBS 나노입자 연구단)

 

 

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.

* URL : Photochemical tuning of dynamic defects for high-performance atomically dispersed catalysts | Nature Materials

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 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.




<그림 1>

[그림1] 연구진이 개발한 합성법의 모식도 및 합성한 촉매의 전자 현미경 사진

▲ [그림1] 연구진이 개발한 합성법의 모식도 및 합성한 촉매의 전자 현미경 사진




<그림 2>

[그림2] 연구진이 개발한 촉매의 광촉매 반응 성능

▲ [그림2] 연구진이 개발한 촉매의 광촉매 반응 성능