에너지시스템학과

우리 학교 박은덕 교수팀이 태양광을 활용해 고부가가치 화합물을 제조할 수 있는 친환경 기술을 개발했다. 지속가능한 방법으로 부가가치가 높은 화합물을 생산할 수 있는 새로운 길을 제시함으로써 에너지 저감과 환경 문제 해결에 기여할 수 있을 것으로 전망된다. 

해당 연구는 ‘2상 전해질에서 브롬 발생을 통한 고 선택성 탠덤 광전기화학적 탄소-수소 결합 활성화(Highly Selective Tandem Photoelectrochemical C–H Activation via Bromine Evolution Reaction in Two-Phase Electrolyte)’라는 논문으로, <저널 오브 더 아메리칸 케미칼 소사이어티(Journal of the American Chemical Society)> 2월호에 게재됐다. 박은덕 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과, 위 사진 제일 왼쪽)가 교신저자로, 아주대 채상윤 박사후 연구원(대학원 에너지시스템학과·차세대에너지과학연구소, 위 사진 가운데)·아딜 메흐무드(Adeel Mehmood) 대학원 에너지시스템학과 박사과정 학생(위 사진 오른쪽)이 제1저자로 참여했다. 

화학 산업에서는 지속가능하며 친환경적인 방식으로 고부가가치 화합물을 만드는 방안에 대한 연구가 점차 중요해지고 있다. 석유화학·철강 산업 등에 쓰이는 화합물을 제조하는 공정에서 많은 에너지가 사용되고, 그 과정에서 이산화탄소와 같은 온실가스나 다른 유해 물질이 발생해 인체·환경에 나쁜 영향을 줄 수 있기 때문이다. 특히 탄소와 수소의 결합을 활성화하는 반응이 화학 공정에서 아주 중요한데, 이를 위해서는 유독한 가스나 많은 양의 유기용매를 사용해야 하는 문제가 있다. 

이러한 문제를 해결하기 위해서는 태양광을 비롯한 재생에너지를 사용해 화합물을 만드는 방법이 이상적이다. 광전기 화학전지 시스템을 이용하면 태양광을 화학에너지로 바꿀 수 있고, 이 에너지를 이용해 유기물의 탄소-수소 결합을 활성화하면 고부가가치 화합물로 만들 수 있다. 동시에 수소도 생산할 수 있다. 이 과정에서 중요한 것은 이런 반응을 잘 일으킬 수 있는 적당한 반도체 광전극 및 시스템을 개발하는 것이다. 

기존에 널리 활용되어온 방안은 탄소-수소 결합의 할로겐화 반응을 이용하는 것으로, 반응물과 할로겐 원소가 하나의 전해질에 용해되어 있는 시스템이다. 그러나 이 시스템의 경우 고가의 할로겐 유기화합물을 사용해야 하는 데다, 반응물의 과산화 및 낮은 용해도가 한계로 여겨져 왔다. 아주대 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 할로겐 원소와 반응물을 별도의 전해질로 분리하는 방법을 고안해냈다. 덕분에 부반응을 차단하면서, 많은 양의 화합물을 생성시킬 수 있었다. 

연구팀은 또한 유독한 할로겐 가스를 직접 사용하지 않고, 친환경적인 브롬화 이온으로부터 태양광을 이용해 반응에 필요한 브롬가스를 실시간으로 공급했다. 연구팀은 태양광-브롬 생산을 위해 산화루테늄이 도포된 질화탄탈럼(Ta3N5) 반도체 광양극을 개발했으며, 해당 광양극은 수계전해질 조건에서 경쟁 반응인 산소 발생이 전혀 없이 브롬만을 선택적으로 생산함을 확인했다. 

생성된 브롬은 태양광에 의해 브롬 라디칼로 전환되어 여러 유기물의 탄소-수소 결합을 효과적으로 활성화하고, 고부가가치 화합물을 생성시켰다. 연구팀은 또한 인화인듐 광음극과 질화탄탈럼 광양극을 동시에 이용, 추가적인 에너지 공급이 없이 오직 태양광만으로 브롬을 생산하고 탄화수소의 탄소-수소 결합을 선택적으로 활성화하여 고부가 화합물을 제조하는 친환경 시스템을 구현해냈다. 

박은덕 교수는 “유독한 할로겐 가스의 사용을 피하고 태양광을 활용해 환경친화적인 방식으로 여러 유기물의 탄소-수소 결합을 활성화, 부가가치가 높은 화합물을 생성하는 기술”이라며 “그와 동시에 청정에너지인 수소를 함께 생산하는 시스템이라는 점에서 중요한 의미를 가진다”라고 설명했다.

박 교수는 “태양광을 이용해 할로겐을 시스템 내에서 자체 생산함으로써, 환경과 인체에 미치는 부정적 영향을 최소화하고 에너지 저감에 기여할 수 있을 것”이라며 “할로겐 원소와 반응물을 분리 반응시킴으로써 부산물 생성을 차단하고 더 효율적인 화학반응을 가능하게 할 수 있어 고부가가치 화합물의 친환경적 생산에 새로운 길을 제시할 것으로 기대한다”라고 덧붙였다. 

이번 연구는 한국연구재단의 C1 가스 리파이너리 사업과 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.

(왼쪽) 태양광과 광전기화학전지를 이용한 브롬화반응의 모식도 (오른쪽) 태양광을 이용한 고부가 화합물의 생성효율