[인더스트리뉴스 최용구 기자] 아주대학교(총장 최기주)는 박은덕 교수 연구팀이 태양광을 활용한 친환경시스템 구현에 성공했다고 4일 밝혔다.

박 교수 연구팀은 지속가능한 방법으로 고부가가치 화합물을 제조했다. 

연구팀은 할로겐 원소와 반응물을 별도의 전해질로 분리하는 방법을 고안했다.

연구 논문은 ‘저널 오브 더 아메리칸 케미칼 소사이어티(Journal of the American Chemical Society)’ 2월호에 게재됐다. 

아주대에 따르면 화학 업계는 석유화학·철강 산업에서의 온실가스 저감 방안에 주목하고 있다.     

특히 탄소와 수소의 결합을 활성화하는 과정에선 유독 가스 및 다량의 유기용매가 사용된다. 그만큼 고도화된 이산화탄소 저감 기술이 요구된다.   

주요 연구내용. 브롬화반응 모식도(왼쪽) 및 고부가 화합물 생성효율 그래프 [사진=아주대학교]

태양광 등 재생에너지를 이용한 화합물 제조는 이상적인 대안이다.  

광전기 화학전지 시스템을 이용할 경우 태양광을 화학에너지로 바꿀 수 있다. 탄소-수소 결합을 활성함과 동시에 수소 생산도 가능하다.  

반도체 광전극 기반의 시스템은 대표 솔루션이다. 다만 기존에 널리 쓰이는 ‘탄소-수소 결합의 할로겐(Halogen)화 반응’은 가격적 리스크가 따른다. 

고가의 할로겐 유기화합물을 사용해야 하는 데다 ‘반응물의 과산화’ 및 ‘낮은 용해도’ 또한 한계다.

할로겐은 화학, 반도체 산업 등에서 광범위하게 사용되고 있지만 폭발 위험성이 있어 수송과 보관이 까다롭다. 

연구팀은 할로겐 원소와 반응물을 별도의 전해질로 분리하는 방법을 고안했다. 이를 통해 부반응을 차단하면서 많은 양의 화합물을 생성했다. 

아울러 유독한 할로겐 가스를 직접 사용하지 않고 친환경의 브롬 가스를 반응에 활용했다. 브롬화 이온은 비용이 상대적으로 저렴하다. 

연구팀은 또 태양광-브롬 생산을 위해 산화루테늄이 도포된 질화탄탈럼(Ta3N5) 반도체 광양극을 개발했다.

해당 광양극은 수계전해질 조건에서 경쟁 반응인 산소 발생이 전혀 없이 브롬만을 선택적으로 생산하는 것이 확인됐다. 

생성된 브롬은 태양광에 의해 브롬 라디칼로 전환되는 과정을 거친다. 이어 여러 유기물의 탄소-수소 결합을 활성화함으로써 고부가가치 화합물을 생성시켰다.

개발된 친환경 시스템은 ‘인화인듐 광음극’ 및 ‘질화탄탈럼 광양극’을 동시에 이용한다. 

추가적인 에너지 공급 업이 오직 태양광만으로 브롬을 생산하며 탄화수소의 탄소-수소 결합을 선택적으로 활성화한다. 

이번 연구는 한국연구재단의 C1 가스 리파이너리 사업과 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다. 

연구 결과는 논문 ‘2상 전해질에서 브롬 발생을 통한 고선택성 탠덤 광전기화학적 탄소-수소 결합 활성화(Highly Selective Tandem Photoelectrochemical C–H Activation via Bromine Evolution Reaction in Two-Phase Electrolyte)’에 정리됐다. 

연구에는 박은덕 교수 외에 아주대 채상윤 박사후연구원, 아딜 메흐무드(Adeel Mehmood) 에너지시스템학과 박사 등이 참여했다.

박은덕 교수는 “태양광을 이용해 할로겐을 시스템 내에서 자체 생산함으로써 환경과 인체에 미치는 부정적 영향을 최소화했다”라며, “고부가가치 화합물의 친환경적 생산에 새로운 길을 제시할 것”이라고 밝혔다. 

[최용구 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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