울산과학기술원(UNIST) 에너지ㆍ화학공학부의 류정기 교수팀이 바이오매스에 포함된 리그닌(Lignin)을 이용하는 `바이오 연료 시스템`을 개발했다고 20일 밝혔다.

리그닌은 관속식물과 일부 조류에서 조직을 지지하는 중요한 구조 물질을 형성하는 유기폴리머 중 하나이다.

이 시스템은 몰리브덴(Mo) 촉매로 리그닌을 분해해 고부가가치 화합물을 생산하고 이 과정에서 추출된 전자를 이용해 수소도 효과적으로 생산한다.
바이오매스 분해 과정에서 생성되는 전자를 이용해 수소를 생산하는 방식인데 생산물은 고부가가치 화합물로 수소 생산 효율도 높이는 일석이조의 기술로 평가받고 있다.

바이오매스는 목재 가공 과정에서 버려지는 나무와 톱밥으로 만드는 고체연료인 우드펠릿과 우드칩, 폐목재 등을 태워서 연료로 사용하는 발전원이다.
폐목재 등에 많이 포함된 `리그닌`은 차세대 바이오 소재로 주목받는 물질이다.

류정기 교수팀은 산소 발생 반응의 비효율을 줄일 방법으로 새로운 전자 공급원인 리그닌을 쓰는 바이오 연료 시스템을 개발했다.

몰리브덴 기반의 저렴한 금속 촉매(PMA)를 사용해 낮은 온도에서 리그닌을 분해하고 그 과정에서 생성되는 전자를 추출해 수소를 만드는 원리다.
이 장치는 리그닌에서 나온 전자가 도선을 따라 수소 발생 반응이 일어나는 전극 쪽으로 이동하도록 설계돼 있다.

1저자인 오현명 UNIST 에너지공학과 석ㆍ박통합과정 연구원은 "높은 에너지와 귀금속 촉매가 필요한 산소 발생 반응이 필요 없기 때문에 일반적인 물의 전기분해보다 적은 에너지(과전압)로 수소를 생산할 수 있다"며 "기존 방식에서는 1.5볼트(V) 이상의 전압이 필요했지만, 이 시스템에서는 훨씬 낮은 0.95볼트(V)에서 수소를 생산했다"고 설명했다.

공동 1저자인 최유리 UNIST 연구조교수는 "리그닌은 자원량이 풍부하고, 가격이 저렴하나 분해가 어려운 소재이나, 몰리브덴 기반 촉매(PMA)를 사용하자 낮은 온도에서 손쉽게 분해됐다"며 "리그닌이 포함한 식물인 아카시아와 볏짚, 낙엽송을 이 촉매와 반응시켜도 저온에서 쉽게 분해되는 것을 확인했다"고 설명했다.

류정기 교수는 "이번에 개발한 `바이오 연료 시스템`은 백금(Pt) 같은 고가의 촉매 대신 저렴한 촉매와 낮은 전압을 사용해 수소와 가치 있는 화학물질을 생성하는 기술"이라며 "물의 전기분해에서 산소 발생 반응을 대체할 새로운 방법을 제시했다는 의미도 크다"고 강조했다.
이번 연구는 미국화학회가 발행하는 `ACS catalysis`에 지난 3일자로 공개됐다.   허종학 기자