이동욱 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수팀은 목재 폐기물에 요소를 첨가하는 방식으로 해수전지용 고성능 촉매를 개발했다고 18일 밝혔다.
해수전지는 바닷물을 이용해 전기를 생산·저장할 수 있는 차세대 에너지 기술이다. 상용화를 위해서는 값싼 촉매 물질 개발이 필수다.
이 교수팀이 개발한 촉매는 해수전지에 걸리는 과전압을 낮추고 전기를 빠르게 꺼내 쓸 수 있게 반응 속도를 높여 준다. 기존 백금 같은 고가 재료가 아닌 저렴한 리그닌과 요소를 사용해 만든 촉매다.
리그닌은 목재의 15~35%를 구성하는 성분으로 종이를 만드는 공정이나 바이오 연료 생산 과정에서 남는 부산물이다.
이 교수팀은 리그닌을 800℃에서 태운 뒤 요소와 반응시켜 요소 속 질소가 리그닌 구석구석에 첨가(doping)되도록 하는 방법으로 고성능 촉매를 개발했다. 리그닌 속 특정 탄소 원자 자리에 질소가 들어가면서 방전에 필요한 에너지를 크게 낮추는 것으로 나타났다.
이 교수팀은 개발 촉매를 해수전지 전극에 입혀 성능을 실험했다. 그 결과, 백금 촉매와 비등한 성능을 보였다.
특히 과전압 발생이 백금 촉매보다 낮았다. 과전압이 낮을수록 충전에너지에서 방전에너지로 뽑아 쓸 수 있는 에너지 비율이 높아진다. 방전 속도와 연관된 최대 전력 밀도도 백금 촉매와 비슷했다.
이동욱 교수는 “고가 촉매를 대체할 수 있고, 바이오매스와 산업 폐기물 가치를 극대화할 수 있는 탄소중립적 접근 기술”이라며 “금속-공기전지 등 다양한 에너지 저장 시스템에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 '중견연구자 지원사업'과 '나노·미래소재원천기술개발사업' 지원을 받았다. 연구 성과는 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널' 2월호에 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com