해수전지는 바닷물 속 이온을 이용해 전기를 저장하고 방출하는 차세대 에너지 저장장치다. 하지만 백금 등이 사용되는 촉매 물질의 가격 부담 때문에 상용화에 어려움을 겪는다.
울산과학기술원(UNIST) 연구진이 목재 폐기물을 이용해 기존 촉매 물질의 성능을 유지하면서 가격 부담을 줄일 수 있는 방법을 발견했다. 이동욱 UNIST 교수팀은 목재 폐기물에 요소를 첨가해 해수전지용 고성능 촉매를 개발했다고 18일 밝혔다.
해수전지를 사용해 전기를 저장하고 방출할 때 전극에서는 전기 화학 반응이 일어난다. 이때 촉매의 성능이 좋으면 전력 생산과 충전 효율이 높아진다. 이번에 연구팀이 개발한 촉매는 해수전지에 걸리는 과전압을 낮추고 전기를 빠르게 꺼내 쓸 수 있게 반응 속도를 높여 주는 물질이다.
연구팀이 개발한 촉매는 저렴한 리그닌과 요소를 기반으로 한다. 리그닌은 목재의 15~35%를 구성하는 성분으로, 종이를 만드는 공정이나 바이오 연료 생산 과정에서 남는 부산물이다. 산업 폐수에 주로 포함된 요소는 질소가 많이 포함하고 있다. 이 리그닌을 800°C에서 태운 후 요소와 같은 온도에서 반응시키면, 리그닌 구석구석 질소가 첨가(doping)돼 고성능 촉매가 만들어진다. 리그닌을 구성하는 특정 탄소 원자 자리에 대신 들어간 질소가 방전에 필요한 에너지를 크게 낮추는 것이다.
연구팀이 개발된 촉매를 해수전지 전극에 입혀 성능을 실험한 결과, 과전압은 백금(Pt/C) 촉매보다 더 낮은 값을 보였다. 과전압이 낮을수록 충전시킨 전기 에너지 중 방전으로 뽑아 쓸 수 있는 에너지 비율이 높다. 또한 최대 전력 밀도 또한 15.76 mW/cm²로 백금 촉매(16.15 mW/cm²)에 근접한 수준을 기록했다. 최대 전력 밀도는 방전 속도와 관련 있는 지표다.
이동욱 에너지화학공학과 교수는 “(연구팀이 개발한 촉매는) 고가의 귀금속 촉매를 대체할 뿐만 아니라, 바이오매스와 산업 폐기물의 가치를 극대화한 탄소중립적 접근법을 제시했다”며 “금속-공기 배터리 등 다양한 에너지 저장 시스템에도 활용할 수 있을 것”이라고 말했다. 연구 성과는 국제 학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’ 2월호에 게재됐다.
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