국내 연구진이 태양광만으로 산업 폐기물을 자원으로 바꾸는 무전압 업사이클링 기술을 세계 최고 수준으로 구현했다.
광주과학기술원(GIST) 신소재공학과 이상한 교수 연구팀은 전기없이 산업 폐기물을 고부가가치 화학물질로 전환하는 '무전압 업사이클링(Bias-free Upcycling)' 기술을 세계 최고 성능으로 구현하는 데 성공했다고 4일 밝혔다.
연구팀은 바이오디젤 생산과정에서 나오는 폐기물 글리세롤과 환경오염 물질인 질산염을, 각각 포름산과 암모니아로 바꾸는 광전기화학 시스템을 설계했다. 전기없이 태양광만으로 작동하는 것이 핵심이다.
기존에는 이같은 전환 반응에 높은 외부 전압이 필요했지만, 연구팀은 유기반도체 기반 광전극과 니켈-철-인(Ni-Fe-P) 촉매를 결합해 무전압 반응을 구현했다. 광음극에서는 질산염을 암모니아로, 광양극에서는 글리세롤을 포름산으로 전환한다.
연구진은 니켈-철 합금에 인을 도핑해 촉매의 내구성과 선택성을 높였고, 광전극은 금속 호일로 캡슐화해 부식 문제를 해결했다. 이를 통해 외부 전기 없이도 두 폐기물을 동시에 고부가가치 화학물질로 전환할 수 있었다.
실험 결과, 시스템은 11.04mA/cm²의 반응 전류밀도를 나타냈으며, 암모니아와 포름산 생산에서 모두 95% 이상의 전기화학 반응 효율을 보였다. 이는 업사이클링 반응의 높은 효율성과 선택성을 동시에 입증한 수치다.
암모니아는 비료·플라스틱·냉매 등 핵심 산업 원료이며, 포름산은 연료전지용 친환경 액체 연료로 각광받고 있다. 이번 기술은 폐기물 처리와 자원 생산을 동시에 가능하게 한다는 점에서 의미가 크다.
이상한 교수는 "이번 연구는 외부 전력 없이 태양광만으로 작동하는 친환경 업사이클링 시스템의 상용화를 앞당긴 결정적인 기술적 돌파구"라며, "산업 폐기물을 고부가가치 화학물질로 전환하는 지속 가능한 공정 개발에 새로운 가능성을 연 성과"라고 평가했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 8월 1일자 온라인에 게재됐다.
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