GIST, 전기 없이 오직 햇빛만으로 폐기물을 자원으로

- 이상한 교수팀, 태양광 기반 무전압 태양광 업사이클링 시스템 개발

- 지속 가능한 차세대 화학·에너지 공정의 기술적 돌파구 제시

무전압 태양광 업사이클링 모식도. (자료제공: GIST)

무전압 태양광 업사이클링 시스템의 실제 모습 및 성능, (자료제공: GIST)

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 신소재공학과 이상한 교수 연구팀이 태양광만으로 산업 폐기물을 고부가가치 화학물질로 전환하는 ‘무전압 업사이클링(Bias-free Upcycling)’ 기술을 세계 최고 성능으로 구현하는 데 성공했다고 8월 4일 밝혔다.

연구팀은 유기반도체 기반의 광전극과 니켈-철-인(Ni-Fe-P) 촉매를 결합한 광전기화학(Photoelectrochemical) 시스템을 개발해, 바이오디젤 산업에서 발생하는 주요 폐기물인 글리세롤과 질산염(NO₃⁻)을 각각 포름산(개미산)과 암모니아로 동시에 전환하는 데 성공했다.

바이오디젤(Biodiesel)은 육·해·공 대규모 장거리 운송 분야에 가장 적합한 친환경 에너지원으로 주목받고 있으나, 생산 과정에서 저가 폐기물인 글리세롤이 대량 발생하며, 비료 사용으로 인한 수질·토양 내 질산염 농도 증가가 사회적 문제로 지적돼 왔다.

글리세롤과 질산염에 대한 기존의 업사이클링 기술은 높은 외부 전압이 필요하고, 원하는 물질로 선택적으로 전환하기 어려워 상용화에 제약이 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 질산염 환원과 글리세롤 산화를 동시에 처리할 수 있는 니켈-철-인(Ni-Fe-P) 전기촉매를 개발하고, 유기반도체 기반 광전극에 금속 호일 캡슐화 기술을 적용해 내구성을 크게 향상시켰다. 니켈-철-인(Ni-Fe-P) 촉매는 니켈-철 합금에 인(P)을 도핑시킨 것으로, 금속 촉매의 전자구조를 조절시켜 높은 부식 저항성과 반응 선택성을 보인다.

연구팀은 구리 호일 위에 전기증착한 니켈-철-인(Ni-Fe-P) 촉매를 유기반도체 광전극과 결합해, 광음극에서는 질산염 환원 반응, 광양극에서는 글리세롤 산화 반응을 동시에 구동하는 무전압 광전기화학 시스템을 구축했다. 이를 통해 외부 전력 없이 태양광만으로 두 가지 산업 폐기물을 동시에 업사이클링하는 데 성공했다.

이 시스템은 글리세롤을 포름산(개미산으로, 질산염을 암모니아로 전환하며, 전력 공급 없이도 두 폐기물을 동시에 고부가가치 화학물질로 변환할 수 있다.

실제 반응 실험에서 이 시스템은 11.04 밀리암페어 퍼 제곱센티미터(mA/cm²)의 반응 전류밀도를 나타냈으며, 포름산과 암모니아 생산에 대한 패러데이 효율은 모두 95% 이상을 기록해 높은 반응 활성도와 선택성을 입증했다.

생성된 암모니아는 전 세계 비료 산업을 비롯해 플라스틱, 냉매, 수소 저장 등 다양한 분야에서 활용되는 핵심 산업 원료이며, 포름산은 방부제·염색제 외에도 최근 수소 운반체 및 연료전지용 액체 연료로 주목받고 있는 친환경 에너지원이다.

이번 연구는 암모니아뿐만 아니라 포름산 등 다양한 고부가가치 화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있는 기술적 토대를 마련한 것으로, 향후 화학·에너지 산업 전반에 폭넓은 파급 효과가 기대된다. 특히 유기반도체 광전극의 내구성을 크게 향상시켜 대면적 태양광 기반 화학 공정으로의 확장 가능성도 높게 평가된다.

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.

신소재공학과 이상한 교수가 지도하고 김예준 박사과정생이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 개인기초연구사업(중견연구)과 미래수소원천기술개발사업의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 2025년 8월 1일 온라인으로 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]