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김병수 교수 연구팀
바이오매스 기반 고부가가치 물질 합성과 수소 동시 생성 전기화학 시스템 개발 이과대학 화학과
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우리 대학교 화학과 김병수 교수 연구팀이 바이오매스 기반의 고부가가치 물질 합성과 수소를 동시에 생성해낼 수 있는 전기화학 시스템을 개발했다.
[ 사진. 좌/박민주 박사(제1저자), 우/김병수 교수(교신저자) ]
수소 연료는 에너지 밀도가 높고 온실 가스 등의 유해한 물질을 배출하지 않기 때문에 미래 친환경 에너지로 각광받고 있다. 특히 물분해 방식을 통한 친환경적 수소 생성 반응에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 기존의 물분해 방식은 높은 비용을 필요로 하고, 특히 양극(anode)의 산소 발생 반응에 높은 에너지가 요구된다는 한계점을 가진다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 산소 발생 반응 대신 5-hydroxymethylfurfural (HMF) 산화 반응을 적용하여 furandicarboxylic acid (FDCA) 물질을 합성하고자 하였다. HMF는 셀룰로오스나 목질 섬유소 등의 바이오매스로부터 얻을 수 있는 물질로 여러 유기 반응을 통한 활용 가치도가 매우 높다. 특히 HMF의 산화 생성물인 FDCA는 차세대 친환경 고분자 합성을 위한 단량체, 바이오 연료, 의약 산업 등에서의 활용 가치가 기대되는 물질이다.
[ 그림1. HMF 산화 반응과 수소 생성 전기화학 반응 모식도 ]
본 연구에서 제시한 시스템을 통해 전체 전기화학 반응의 효율을 높일 뿐만 아니라 수소 생성과 더불어 고부가가치 물질을 동시에 합성할 수 있다는 강점을 끌어냈다. 특히나 연구팀은 전극의 구조를 다층 박막 적층법 (layer-by-layer assembly)을 통해 나노 단위로 정교하게 조절하였고, 전극 구조와 전기화학 성능과의 상관 관계를 면밀히 규명하였다. 이를 통해 같은 물질을 사용함에도 전극내 구조에 따라 전기화학 촉매 성능이 확연하게 차이 날 수 있음을 증명했다.
[ 그림2. Layer-by layer assembly를 통한 전극 제조와 전기화학 반응 시스템 적용 ]
제 1저자로 이번 연구를 주도한 박민주 박사는 “기존의 물분해 반응 연구는 새로운 광촉매 물질 개발에 집중되어 있었으나 이론적인 열역학 에너지 장벽의 한계가 존재했다.”며 “본 연구에서는 새로운 접근 방법으로 필요 에너지 장벽이 낮으면서도 부가 가치가 높은 산화물을 합성할 수 있는 반응을 적용하였다는 점에서 이전 연구들과는 확연한 차별성을 가진다.”고 설명했다.
김병수 교수는 “다층 박막 제조법을 통해 손쉽게 전극 구성 물질과 구조를 나노 단위로 정교히 조절 가능하다.”며 “추후 다양한 유기 반응의 용도에 맞게 전극 제조가 가능하기 때문에 그 응용 분야가 무궁무진 할 것으로 기대된다.”고 평가했다.
이번 연구 성과는 한국 연구 재단 나노소재 원천기술개발사업과 연세대학교의 지원을 받아서 수행이 되었으며, 본 연구 결과는 미국화학회 (American Chemical Society)에서 발행하는 저명한 국제 학술지 ACS Nano에 2020년 6월 3일 온라인 게재됐다.
- 논문명: Tailorable Electrocatalytic 5-Hydroxymethylfurfural Oxidation and H2 Production: Architecture–Performance Relationship in Bifunctional Multilayer Electrodes
* 출처 : 연세소식 627호
Researcher