김병수 연세대 교수팀, 전극 구조와 촉매 효율 간 상관관계 규명

바이오매스 기반 물질 합성과 수소 생성을 동시에

연세대는 김병수 화학과 교수 연구팀이 바이오매스 기반의 고부가가치 물질 합성과 수소를 동시에 생성해낼 수 있는 전기화학 시스템을 개발했다고 14일 밝혔다.

수소 연료는 에너지 밀도가 높고 온실가스 등의 유해물질을 배출하지 않기 때문에 미래 친환경 에너지로 주목받고 있다. 특히 물 분해 방식을 통한 친환경적 수소 생성 반응에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 기존의 물 분해 방식은 높은 비용을 필요로 하고, 특히 양극(anode)의 산소 발생 반응에 높은 에너지가 요구된다는 한계가 있다.

김병수 교수팀은 이를 극복하기 위해 산소 발생 반응 대신 5-하이드록시메틸푸르푸랄(hydroxymethylfurfural, HMF) 산화 반응을 적용해 푸란디카르복시산(furandicarboxylic acid, FDCA) 물질을 합성하고자 했다. HMF는 셀룰로오스나 목질 섬유소 등의 바이오매스로부터 얻을 수 있는 물질로 여러 유기 반응을 통한 활용 가치가 매우 높다. 특히 HMF의 산화 생성물인 FDCA는 차세대 친환경 고분자 합성을 위한 단량체, 바이오 연료, 의약 산업 등에서의 활용이 기대되는 물질이다.

연구팀은 본 연구에서 제시한 시스템을 통해 전체 전기화학반응의 효율을 높일 뿐만 아니라 수소 생성과 더불어 고부가가치 물질을 동시에 합성할 수 있다는 강점을 끌어냈다.

특히 전극의 구조를 다층박막적층법(layer-by-layer assembly)을 통해 나노 단위로 정교하게 조절했고, 전극 구조와 전기화학 성능의 상관관계를 규명했다. 이를 통해 같은 물질을 사용함에도 전극 내 구조에 따라 전기화학 촉매 성능이 확연하게 차이가 날 수 있음을 증명했다.

제1저자로 이번 연구를 주도한 박민주 박사는 "기존의 물분해 반응 연구는 새로운 전기화학촉매 물질 개발에 집중돼 있었으나 이론적인 열역학 에너지 장벽의 한계가 존재했다"라며 "이 연구에서는 새로운 접근 방법으로 필요 에너지 장벽이 낮으면서도 부가 가치가 높은 산화물을 합성할 수 있는 반응을 적용했다는 점에서 이전 연구들과는 확연한 차별성을 가진다"라고 설명했다.

김병수 교수는 "다층 박막 제조법을 통해 손쉽게 전극 구성 물질과 구조를 나노 단위로 정교히 조절 가능하다"라며 "추후 다양한 유기 반응의 용도에 맞게 전극 제조가 가능하기 때문에 그 응용 분야가 무궁무진할 것으로 기대된다"고 평가했다.

이번 연구 성과는 한국연구재단 나노소재 원천기술개발사업과 연세대의 지원을 받아 수행됐으며, 본 연구결과는 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 저명 국제 학술지 ACS Nano에 6월 3일 온라인 게재됐다.