달걀 껍질로 알코올서 수소·그래핀 생산 쉽게 생산

UNIST 백종범 교수팀, 수소 생산·그래핀 합성·쓰레기 재활용 '일석삼조 기술' 주목 

UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 달걀 껍질의 주성분인 탄산칼슘으로 산화칼슘을 만들고, 이 물질이 수소와 그래핀을 만드는 촉매로 활용 가능하다는 걸 밝혀냈다. 사진은 달걀 껍데기(왼쪽)와 이 물질을 활용해 만든 그래핀(오른쪽)의 모습. 사진=UNIST

음식물 쓰레기로 여겨졌던 '달걀 껍질'을 활용해 수소를 생산하는 기술이 나왔다. 알코올을 수소로 바꾸는 반응의 촉매로 사용하는 것인데, 반응 후에는 달걀 껍질 위에 그래핀이 합성된다. 쓰레기를 재활용하면서 수소와 그래핀을 만드는 일석삼조 기술이다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 달걀 껍질의 주성분인 탄산칼슘으로 산화칼슘을 만들고, 이 물질이 수소와 그래핀을 만드는 촉매로 활용 가능하다는 걸 밝혀냈다. 산화칼슘을 촉매로 쓰자 기존보다 낮은 온도에서 반응이 진행됐으며, 별다른 분리공정 없이 사용 가능한 수소가 만들어졌다. 반응 과정에서 산화칼슘 위에 탄소가 얇게 쌓여 그래핀이 합성됐으며, 간단한 처리만 하면 쉽게 떼어내 쓸 수 있다.

수소는 물이나 탄화수소, 알코올 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 기술이 쓰이고 있다. 그러나 700℃ 이상의 고온에서는 수소 외에도 메탄, 일산화탄소, 에틸렌 등의 부산물이 발생한다. 따라서 생산된 기체 중에서 수소만 따로 골라내는 공정이 더 필요하고, 수소 생산단가도 올라가게 된다.

백종범 교수팀은 알코올을 이용한 수소 생산의 단점을 촉매로 해결했다. 달걀 껍질을 이용해 만든 산화칼슘으로 반응 온도를 500℃로 낮춘 것이다. 그 결과 생산된 기체의 99%가 수소였고, 그래핀도 산(acid)으로 산화칼슘를 제거하면 바로 쓸 수 있는 상태로 생산됐다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수(오른쪽)와 가오 펭 박사(왼쪽)가 달걀 껍데기와 알코올 변환 반응을 진행한 뒤 생성된 그래핀을 손에 들고 있다. 사진=UNIST

백종범 교수는 "산화칼슘은 값싼 물질인 데다 달걀 껍질을 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 밀도함수이론 계산법을 이용해 알코올이 산화칼슘 표면에서 촉매 반응을 통해 선택적으로 그래핀과 수소로 변환될 수 있음을 증명하고, 반응이 촉매 표면에서만 일어나면서 자체적으로 그래핀 성장을 제한해 고품질 단층 그래핀을 얻을 수 있다고 밝혔다.

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"고 전했다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자

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