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산업 ‘효모’로 물 분해 촉매 만든다…수소 촉매 개발
메디컬투데이 김동주 기자
입력일 : 2020-04-09 13:01:04
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수소, 산소 발생 모두에 탁월한 성능
▲효모의 구조와 효모로 만든 전기화학촉매 (사진=UNIST 제공)

[메디컬투데이 김동주 기자]

맥주나 포도주, 빵 등을 만드는 데 사용하는 미생물, ‘효모’를 이용해 수소를 생산할 방법이 나왔다. 버려진 효모 속에 있는 물질을 이용해 물을 전기분해하는 촉매를 합성한 것이다. 폐기된 효모는 양이 풍부하고 가격도 저렴해 향후 물 분해 수소의 가격을 한층 낮출 것으로 기대된다.

UNIST 자연과학부 화학과 김광수 교수 연구팀은 폐기된 효모를 이용해 물을 수소와 산소로 분리할 저렴한 촉매 물질을 합성하는 데 성공했다고 9일 밝혔다.

효모 기반 지지체에 루테늄(Ru)과 철(Fe) 기반 물질을 입혀 수소와 산소 발생 모두에서 우수한 성능을 보이는 촉매로 개발해냈다.

수소는 지구상에서 가장 깨끗한 에너지 공급원으로, 친환경적으로 얻으려면 물을 전기분해하면 된다. 그러나 물 분자(H₂O) 속 수소와 산소는 아주 강하게 결합하고 있어서 이를 끊는 데 도움을 줄 백금(Pt, 수소 발생 반응용)이나 이리듐(Ir, 산소 발생 반응용) 같은 촉매가 필요했다. 하지만 둘은 희귀하고 가격이 비싸며 내구성도 떨어지는 문제가 있었다.

김 교수팀은 ‘백금이나 이리듐 같은 귀금속 촉매를 대체’하면서 산소와 수소 발생에 모두 성능을 높일 촉매의 재료로 ‘폐기된 효모’에 주목했다.

효모는 생명체이기 때문에 다 쓰고 버려지더라도 탄소(C)나 인(P), 황(S), 질소(N) 같은 물질이 풍부하다. 이러한 물질은 전기 전도도를 높일 수도 있고, 다른 물질을 붙잡을 수 있는 ‘작용기’도 있어 금속 입자를 고정하는 데 도움이 된다. 이런 특징은 결과적으로 성능 좋은 촉매를 만들 가능성이 된다.

연구팀은 버려진 효모를 지지체로 삼아 수소 발생과 산소 발생을 촉진하는 두 가지 촉매를 만들었다.

먼저 수소 발생 반응이 일어나는 음극용 촉매로는 효모에 루테늄 금속 나노입자와 루테늄 단원자를 입혔고, 산소 발생 반응이 일어나는 양극용 촉매로는 효모에 자철광(Fe₃O₄)을 입힌 물질을 각각 만든 것이다.

음극 촉매는 여러 전기・화학적 성능과 내구성에서 백금 촉매보다 매우 뛰어난 성능을 보였고, 양극 촉매도 이리듐 촉매보다 훨씬 뛰어난 산소 발생 성능을 보였다.

특히 두 촉매를 적용한 물의 전기분해 시스템에서는 일반적인 건전지 수준의 전기 에너지를 만드는 태양전지(1.74V 생산)를 이용해 충분한 물 분해 반응(최대 30mA의 전류밀도 기록)을 얻을 수 있었다. 또 이 시스템은 태양전지로 생산한 전기 에너지를 가하지 않고 태양광을 비춰주는 것만으로도 물을 산소와 수소로 분해하는 게 가능했다.

김 교수는 “버려지는 효모에서 얻은 물질을 지지체로 써서 루테늄이나 철 기반의 물질을 입히면서 그 비율을 최적화해 좋은 성능을 가진 촉매를 얻을 수 있었다”며 “폐기되는 효모는 친환경적이고 저렴한 재료인 데다 쉽게 구할 수 있는 바이오매스인데, 이번 연구에서 새로운 활용법을 제시하게 됐다”라고 연구 의의를 설명했다.

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티와리(Tiwari) UNIST 자연과학부 연구교수가 공동교신저자로 참여한 이번 연구는 'Nature Sustainability’에 4월 6일자로 출판됐다. 연구 지원은 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 ‘국가과학자지원사업’을 통해 이뤄졌다.  
메디컬투데이 김동주 기자(ed30109@mdtoday.co.kr)
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