월간전기



[신기술] 쓰레기를 에너지 생산에 재활용한다!

2019-06-01

쓰레기를 에너지 생산에 재활용한다! 폐기물로 수소와 전극을 만드는 기술 세계경제포럼(WEF)에 따르면, 2016년 기준으로 우리나라의 자원 재활용 비율은 53.7%로 독일(56.1%)과 오스트리아(53.8%)에 이어 세계에서 세 번째로 높다. 하지만 미국 뉴스전문방송인 CNN이 최근 경북 의성군에 방치된 17만 3천만 톤의 쓰레기 산을 보도한 것처럼, 우리 사회는 여전히 쓰레기 처리가 해결해야 할 숙제로 남아 있다. 이런 가운데 국내 연구진이 달걀 껍데기와 유리를 재활용해 수소와 리튬이온전지 전극을 만드는 기술을 개발하여 화제가 되고 있다. 정리 김경한 기자│자료 UNIST, 금오공과대학교 우리나라가 자원 재활용 비율이 높음에도 불구하고, CNN에 보도될 정도로 쓰레기 산이 넘쳐나는 이유는 생활폐기물의 매립률이 높기 때문이다. 이 비율은 우리나라가 17.9%로 스위스 0%, 독일 0.42%, 스웨덴 0.97% 등 다른 선진국에 비해 상당히 높은 편이다. 결국 폐기물로 인해 한반도는 썩어가고 있는 것이다. 따라서 폐기물의 재활용 방법을 개발하는 연구가 시급한 실정이다. UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 이런 생활 폐기물 중 하나인 달걀 껍데기를 활용해 수소와 그래핀을 만드는 기술을 개발했다. 한편, 금오공과대학교 신소재공학부 전지신소재연구실의 박철민 교수 연구팀은 폐유리를 재활용해 리튬이온전지용 음극소재를 제작하는 기술의 개발에 성공했다. 달걀 껍데기를 수소와 그래핀 제작 촉매로 상대적으로 낮은 온도에서 제작해 경제성 높아 UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀에 의해 음식물 쓰레기로 여겨졌던 달걀 껍데기를 활용해 수소를 생산하는 기술이 나왔다. 알코올을 수소로 바꾸는 반응 촉매로 활용하는 것인데, 반응 후에는 껍데기 위에 그래핀이 합성된다. [그림 1] 산화칼슘(CaO)을 이용한 알코올의 개질 과정 바이오매스 알코올은 식물의 광합성에 의해 형성된 자원을 기반으로 만들어진다. 이 물질의 구성성분을 활용해 다른 물질로 바꾸는 개질 과정을 진행하면 수소와 탄소 기반의 물질을 얻을 수 있다. 이번 연구에서는 알코올의 개질 과정에서 산화칼슘을 촉매로 써서 그래핀(BNPGr)과 고순도 수소를 생산해냈다. 이때 발생한 이산화탄소는 탄산칼슘으로 다시 변환되면서 산화칼슘 위에 얇은 층을 만드는데, 이 덕분에 탄소가 산화칼슘과 분리돼 얇게 한 층짜리 그래핀으로 합성된다. 연구진은 달걀 껍데기의 주성분인 탄산칼슘(CaCO₃)으로 산화칼슘(CaO)을 만들고, 이 물질이 수소와 그래핀을 만드는 촉매로 활용 가능하다는 걸 밝혀냈다. 산화칼슘을 촉매로 쓰자 기존보다 낮은 온도에서 반응이 진행됐으며, 별도의 분리공정 없이도 사용 가능한 수소가 만들어졌다. 반응 과정에서 산화칼슘 위에 탄소(C)가 얇게 쌓여 그래핀이 합성됐으며, 간단한 처리만 하면 쉽게 떼어내 사용할 수 있다. 수소는 물(H₂O)이나 탄화수소(CnH2n+2), 알코올(CnH2n+2 OH) 등 수소를 포함한 물질에서 얻는다. 이때 화학 반응을 일으켜야 하는데, 반응마다 적절한 촉매가 필요하다. 산화칼슘은 ‘알코올에서 수소를 만들어내는 과정’에서 우수한 촉매 성능을 보였다. 알코올은 식물이나 미생물 등을 발효시켜서 얻으므로, 앞으로도 계속 대량생산 가능한 친환경 에너지원이다. 알코올 성분이 수소와 탄소, 산소이므로 다른 유용한 형태로 변환할 수도 있다. 이미 예전부터 알코올에 700℃ 이상의 높은 온도를 가해 증기로 만들면서 수소와 탄소 기반의 물질로 바꾸는 기술(알코올의 증기 개질)이 쓰이고 있다. 그러나 700℃ 이상의 고온에서는 수소 외에도 메탄, 일산화탄소, 에틸렌 등의 부산물이 발생한다. 이로 인해 생산된 기체 중에서 수소만 따로 골라내는 공정이 더 필요하고, 수소 생산단가도 올라가게 된다. 알코올의 증기 개질 과정에 사용할 적절한 촉매를 개발해 더 낮은 온도에서 반응이 진행되며, 높은 선택도를 통해 고순도의 수소를 생산하는 기술 개발이 시급한 것이다. 부수적으로 발생하는 탄소 기반 물질 또한 고부가 가치로 활용도를 높일 필요가 있다. [그림 2] 산화칼슘(CaO)을 이용한 알코올의 개질 과정을 보여주는 사진 달걀 껍데기에 열을 가해 만든 산화칼슘(Before)에 알코올을 붓고 500℃로 온도를 높여주면(During), 수소가 생성되면서 산화칼슘 표면에 그래핀이 형성된다. 반응 후(After) 산화칼슘의 색깔이 시커멓게 변한 이유는 그래핀이 형성됐기 때문이다. 백종범 교수팀은 전통적인 알코올의 증기 개질에서 발생하던 수소 분리와 이산화탄소 발생의 문제를 동시에 해결할 촉매(산화칼슘)를 제시했다. 알코올의 증기 개질을 통해 얻을 수 있는 ▲순수한 수소의 양을 늘리고 ▲이 과정을 통해 생성되는 탄소를 그래핀으로 합성하고 ▲부산물로 배출되는 이산화탄소는 타시 탄산칼륨으로 변환시키는 일석삼조의 기술이다. 이번 연구에서는 달걀 껍데기(탄산칼슘(CaCO₃)이 주요 성분)에 열을 가해 산화칼슘(CaO)을 만들고, 이 물질을 알코올의 증기 개질 과정에 촉매로 활용했다. 그 결과 알코올의 증기 개질 반응 온도를 500℃로 낮출 수 있었다. 또한 이 반응에서 만들어지는 물질은 수소와 3D 벌키 나노기공성 그래핀(3D bulky nanoporous graphene, BNPGr) 두 가지로 단순화됐다. 산화칼슘을 촉매로 사용한 알코올의 증기 개질을 통해 나온 기체는 모두 수소로, 고체는 모두 그래핀으로 정리된 것이다. 알코올이 고온에서 산화칼슘을 만나면 이산화탄소도 나오는데, 반응 과정에서 탄산칼슘으로 전환되는 현상을 보였다. 이렇게 만들어진 탄산칼슘이 촉매인 산화칼슘 위에 얇은 층을 형성하고, 그 위에 탄소가 쌓이면서 BNPGr이 만들어진다. BNPGr은 탄소로 이뤄진 그래핀의 한 종류로, 촉매를 비롯한 다양한 분야로 활용 가능한 물질이다. 이 물질은 보통 다공성 동전 형태의 금속을 틀로 삼고, 탄소 원료를 제공함으로써 만들어진다. 다공성 금속 대신 구멍이 많은 조개껍데기를 틀로 사용하고 1,000℃ 이상에서 메탄, 수소, 아르곤 환경에서 화학기상증착법(CVD)으로 제조하기도 한다. 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 촉매로 쓰고, 950℃ 고온 환경을 만들면 메탄을 BNPGr로 바꿀 수 있다는 연구도 보고됐다. 연구진은 이번에 제시된 기술은 ‘상대적으로 낮은 온도(500℃)’에서 개질 반응을 일으켜, 바이오매스 알코올을 고순도의 수소와 활용성 높은 BNPGr로 변환하는 방법이라고 밝혔다. 차세대 에너지원(H)과 차세대 에너지 소재(BNPGr)로 뽑히는 두 물질을 경제적으로 쉽게 생성할 수 있음을 입증한 연구이기도 하다. 특히 가정에서 쓰레기로만 여겨졌던 달걀 껍데기를 가치 있는 물질로 바꾸면서 촉매 가격을 줄일 수 있는 기술이라 더욱 의미가 깊다고 한다. 백종범 교수는 “산화칼슘은 값싼 물질인 데다 달걀 껍데기를 재활용해 만들 수 있으므로 친환경적”이라며 “생산된 수소나 그래핀 모두 별다른 분리 과정 없이 이용할 수 있다는 점에서 경제성도 높다”고 설명했다. 제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공학부의 가오-펑 한(Gao-Feng Han) 박사는 이번 연구를 위해 구내식당에서 달걀 껍데기를 모으는 일부터 시작했다. 모은 달걀 껍데기를 가열해 산화칼슘을 만들고, 이 물질을 알코올의 증기 개질의 촉매로 활용하고, 알코올이 수소와 그래핀으로 변환되는 원리와 이 과정에서 산화칼슘의 역할도 풀어냈다. 한 박사는 “산화칼슘을 이용한 알코올의 증기 개질법은 훨씬 큰 규모로 반응이 진행되는 상용화 환경에도 같은 효과를 보일 것”이라며 “이번 연구결과가 에탄올을 비롯한 바이오 자원을 활용하는 데 큰 도움이 됐으면 좋겠다”는 바람을 전했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 교육부-한국연구재단이 주관하는 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SKC), 창의소재발전프로그램으로 진행됐다. 연구 결과는 국제학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 4월 19일자에 실려 출판됐다. 폐유리 재활용해 리튬이온전지용 음극소재 제조 기존 소재 대비 용량 및 전기화학 성능 뛰어나 금오공과대학교 신소재공학부 전지신소재연구실 박철민 교수 연구팀이 버려지는 폐유리의 재활용을 통한 고용량 리튬이온 이차전지용 음극 소재 기술을 개발했다. 박철민 교수 연구팀은 매우 간단한 고체합성법으로 다양한 종류의 폐유리를 실리콘계 나노복합체로 제조했다. 이를 리튬이온 이차전지의 음극소재로 적용해 고용량 리튬이온 이차전지를 개발했다. [그림 3] 폐유리의 재활용을 통한 고용량 리튬이차전지용 음극소재의 제조방법 및 전기화학 성능 연구진은 간단한 방법으로 실리콘계 나노복합체 소재를 제조하기 때문에 대량 생산 및 상업화 가능성이 크다고 밝혔다. 제조된 실리콘계 나노복합체 소재는 현재 상용화 중인 흑연 음극에 비해 우수한 용량을 가져 전기화학 성능 또한 뛰어난 것으로 나타났다. 따라서 고용량 리튬 이온 이차전지용 음극 소재의 다양한 활용에 기여할 것으로 기대되고 있다. 박철민 교수는 “이번 성과는 친환경적인 측면에서 버려지는 폐유리의 재활용에 새로운 가능성을 제시한 것”이라며 “새로운 이차전지 시스템과 고용량 리튬이온전지 전극소재 개발 등 차세대 산업동력을 위한 연구를 지속적으로 이어가겠다”고 밝혔다. 이번 연구는 금오공대 석사과정 이승수 연구원(現 LG화학기술연구원)이 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단의 중견연구자 및 중점연구소 지원사업과 금오공대 ICT융합특성화연구센터의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 친환경 과학 부문 최상위급 SCI 학술지인 그린 케미스트리(Green Chemistry) 온라인판 2월호에 ‘Facile conversion of waste glass into Li storage materials’라는 제목으로 게재됐다. < Energy News >