[울산=뉴시스]구미현 기자 = 태양에너지만으로 고효율의 암모니아를 생산할 수 있는 기술이 개발됐다.

UNIST(울산과학기술원) 에너지화학공학과 장지욱, 장성연 교수팀은 스탠퍼드 대학교 토마스 F. 자라미요 교수와 공동으로 페로브스카이트 기반 친환경 암모니아 생산 광전극 시스템을 개발했다고 16일 밝혔다.

이 시스템은 미국 에너지부가 정한 친환경 암모니아 생산 속도의 상용화 기준치를 약 1.7배 웃돌았다. 세계 최고 기록이다.

태양에너지로 폐수의 주요 성분인 질산염(NO3-)을 물속에서 환원해 암모니아(NH3)를 생산하는 원리다. 개발한 시스템은 세계 최고의 태양광-암모니아 전환 속도를 기록했으며 물에 약한 페로브스카이트의 단점을 극복했다.

공업 원료인 암모니아는 비료, 음식, 제약 등 고부가 가치 화합물을 합성하는 데 쓰인다. 현재 암모니아의 대부분은 ‘하버-보쉬 공정’으로 생산된다. 하지만 친환경적이지 않고 막대한 양의 화석연료를 소모해야 된다는 문제가 있다.

연구팀은 페로브스카이트 태양전지를 보호해 높은 성능과 내구성을 갖춘 광전극 시스템과 루세늄을 티타늄 나노시트에 올린 고성능 암모니아 생산 촉매를 개발했다.

페로브스카이트는 빛을 잘 흡수해 전하를 많이 만들 수 있지만 물에 쉽게 분해된다. 연구팀은 페로브스카이트를 쉽게 액체가 되는 필즈금속으로 보호하는 동시에 고성능 암모니아 생산 촉매와 강하게 결합시켰다. 필즈금속은 녹는 온도가 63도로 낮아 쉽게 녹고 상온에서는 고체가 돼 이러한 설계가 가능하다.

제작된 광전극은 페로브스카이트가 물과 직접 접촉하는 것을 막는다. 페로브스카이트와 암모니아 생산 촉매를 전기적으로 연결하고 고정한다. 물속에서 빛을 받은 광전극은 전하를 생산한다. 전하는 전극 표면에 노출된 암모니아 생산 촉매에 효율적으로 전달돼 안정적으로 높은 효율의 암모니아가 만들어진다.

연구팀은 암모니아를 외부 전압없이 생산하기 위해 물보다 낮은 전압에 반응하는 글리세롤을 이용했다. 먼저, 백금 촉매를 티타늄 나노시트에 올려 글리세롤의 산화 반응속도를 높였다.

광전극에서 생산되는 전압과 글리세롤의 산화반응을 통해 암모니아 전환에 필요한 전압의 최소량을 맞췄다. 즉, 글리세롤이 첨가된 물에 광전극을 담그고 빛을 쬐면 자발적으로 암모니아를 생산할 수 있는 것이다. 암모니아 생산과 동시에, 부산물로 글리세롤보다 9배 이상 가치 높은 글리세릭 엑시드도 만들었다.

개발된 광전극으로 암모니아를 생산하는 속도는 최대 1745 μgNH3 cm-2h-1 마이크로그램 퍼 센티미터 스퀘어 퍼 아워, 단위속도·단위면적당 얼마만큼의 암모니아를 생산하는가 단위를 기록했다. 이는 미국 에너지부가 정한 친환경 암모니아 생산 속도 상용화 기준인 1000 μgNH3 cm-2h-1 훨씬 넘어섰다.

개발된 시스템에 사용된 질산염 환원 촉매를 다른 종류로 바꾸면 다양한 고부가가치 물질의 생산에도 활용할 수 있다.

장지욱 교수는 “이번 연구를 통해 폐수의 주성분인 질산염과 바이오디젤의 부산물인 글리세롤을, 암모니아와 고부가 가치의 글리세릭 엑시드를 생산했다”며 “개발된 기술은 외부전압 없이도 고효율 암모니아를 생산할 수 있으며, 다양한 친환경 연료를 생산하는데도 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

장성연 교수는 “본 연구는 고효율 태양광 연료 생산에 응용한 매우 중요한 연구다”며 “태양광 연료의 상용화가 되는 태양광 연료 생산 속도 기준을 초과 달성했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 설명했다.

이번 연구 성과는 촉매 연구에서 가장 탑 저널인 ‘네이처 캐탈리시스(Nature Catalysis)’에 4월 1일자로 공개됐다. 아마드 타예비 박사후 연구원, 라쉬미 메흐로트라, 무히불라 알 무바록, 김지은 UNIST 석박통합과정 대학원생이 공동 1저자로 참여했다.

연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단의 우수연구자교류지원사업(Brainlink)과, 글로벌 기초연구실 지원사업 (BRL) 등을 받아 이뤄졌다.

그린수소 생산을 위한 큰 면적의 광전극 모듈이 개발됐다. 모듈 기준으로 세계 최고 효율을 달성해 그린수소 생산의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 이재성, 장지욱, 석상일 교수와 탄소중립대학원 임한권 교수 공동 연구팀은 태양에너지를 이용해 높은 효율과 내구성, 대규모 생산 가능한 그린수소 생산 기술을 개발했다. 페로브스카이트 태양전지의 단점을 해결하고 광전극의 크기를 10,000배 키워 실용 가능성을 높였다.

태양광 수소 기술은 지구상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양에너지를 이용해 물을 분해해 수소를 얻는 이상적인 그린수소 생산기술이다.

이재성 교수는 “최근 효율 문제를 어느 정도 해결한 기술이 개발됐으나, 실험실 소형장치에서 얻어진 결과로, 실용화를 위해선 크기를 키우는 스케일업(scale-up)이 필요하다”고 설명했다.

UNIST 연구팀은 광전극 소재로 효율 높고 비교적 값이 싼 페로브스카이트를 채택했다. 페로브스카이트 태양전지는 이번 연구에 참여한 석상일 교수 등 UNIST의 교수들이 선도하고 있는 연구개발 분야이다.

그러나 페로브스카이트 태양전지는 태양광에 포함된 자외선과 공기 중의 수분에 대한 안정성이 떨어진다. 특히 물을 분해해 수소를 만들기 위해선 광전극을 물속에 넣어야 하는데, 연구팀은 이 두 가지 문제점을 모두 개선했다.

연구팀은 페로브스카이트의 양이온으로 기존의 메칠암모늄 대신 포름아미디늄을 사용해 자외선에 가장 안정한 페로브스카이트를 제조했다. 물과의 접촉면을 니켈 포일로 완전 봉인해 물속에서도 안정성을 유지하도록 제작했다.

보통 연구개발용 광전극은 1㎠미만의 소형으로 실용화 규모인 1㎡까지 키우기 위해 10,000배 정도 스케일업을 해야 한다. 스케일업 과정에서 수소생산 효율이 감소하기 때문에 이를 최소화하는 기술 또한 필요하다.

연구팀은 이 광전극을 스케일업하기 위해 작은 광전극들을 일정한 크기로 연결해 배치하는 ‘모듈 기반 설계’를 활용했다. 소형 광전극을 블록을 쌓는 것처럼 가로, 세로로 반복해서 연결해 대면적의 광전극을 제조한다.

이렇게 스케일업 된 모듈은 상용화를 위한 최소 조건인 태양광수소 전환효율 10% 이상을 달성했다. 이는 대면적 광전극에서 세계 최고 효율이다.

제 1저자 한소라 (Hansora)박사는 “이번 연구에서 개발한 광전극은 대면적에서도 높은 효율을 유지했다”며 “앞으로 그린수소 생산의 실용화를 위한 현장실증에 집중한다면 2030년 이전에 태양광을 이용한 그린수소 기술이 상용화가 될 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구결과는 에너지 분야 최고의 학술지인 Nature Energy에 1월 23일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부가 추진하는 기후변화대응사업과 BrainLink 사업의 지원을 받아 이뤄졌다

 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 향상시킬 수 있는 기술이 개발됐다. 높은 효율로 장시간 구동 가능해 페로브스카이트 태양전지 상용화와 그린 수소 생산 기술에도 영향을 미칠 전망이다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 장성연·류정기·장지욱 교수팀은 고려대학교 곽상규 교수팀과 함께 높은 안정성과 효율을 가진 주석–납 할로겐화합물 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 주석–납 할로겐화물 페로브스카이트 활성층과 금속 전극 사이에 특수 설계된 음극 중간층을 삽입했다. 태양전지 소자의 안정성과 효율을 동시에 향상하는 획기적인 기술이다.

장성연 교수는 “개발된 태양전지를 광전극으로 활용해 고효율의 그린 수소를 생산할 수 있는 광전기 화학 소자의 새로운 구조를 제시했다”고 설명했다.

금속 할로겐화물 페로브스카이트는 빛 에너지를 받아 전자를 방출하는 ‘광전자’ 특성이 우수해 태양 에너지 응용 분야에서 유망한 재료로 꼽힌다. 특히 혼합 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트(TLHP)는 가시광선에서 근적외선 영역까지 태양광 흡수가 가능해 고효율 태양전지 개발에 중요한 소재다. 하지만 TLHP는 납 기반의 페로브스카이트 보다 대기 중 안정성이 낮아 소재의 장점을 활용하기 어려웠다.

연구팀은 TLHP를 화학적으로 보호할 수 있는 음극 중간층으로 지방족 아민 기능화 페릴렌 디이미드를 도입했다. 페릴렌 디이미드는 빛을 받아 전력을 생산하는 광활성층인 페로브스카이트의 상부층에 삽입된다. 효율적으로 전자를 이동시킬 뿐 아니라 화학적 장벽 역할 또한 수행해 안정성을 대폭 향상시켰다.

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페릴렌 디이미드를 적용한 소자의 경우, 높은 광전변환효율(23.21%)을 보임과 동시에 60도에서 750시간 동안 작동했을 때도 초기 대비 81% 이상 효율을 유지하며 높은 안정성을 보였다.

연구팀은 개발된 기술을 수소 생산을 위한 광전극으로도 활용했다. TLHP 기반의 광전극을 농업폐기물과 같은 목질계 바이오매스 분해 과정에서 나오는 전자를 활용했다. 외부 전력이 없는 상태에서 약 33.0mA/cm2(~3.42×10-6 kg·s-1·m-2)의 기록적인 태양광 수소 생산 속도를 보였다. 이는 미국 에너지부의 1-sun 조건아래 태양광 수소 생산의 최종 목표치보다 높은 수치다.

장성연 에너지화학공학과 교수는 “이번 연구를 통해 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지의 큰 이슈 중 하나였던 소자의 장기안정성을 획기적으로 증가 시켰다”며 “우리는 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 것에 그치지 않고 수소와 같이 산업의 기반이 되는 기초적인 화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있는 단계까지 발전시키는 것이 최종 목표”라고 설명했다.

이번 연구는 UNIST Muhibullah Al Mubarok 석·박통합과정 연구원, 최유리 연구조교수, Rashmi Mehrotra 석·박통합과정 연구원, 고려대학교 김유진 석·박통합과정 연구원이 제 1저자로 참여했다.

연구 결과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 11월 30일자로 온라인 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 이뤄졌다.

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나무에서 나온 찌꺼기로 유용한 화합물을 만들고, 이 과정에서 얻은 전자(electron)로 ‘태양광 수소’를 생산하는 기술이 개발됐다. 태양광으로 만든 전기에너지만으로 수소 생산 효율을 크게 높일 수 있어 그린 수소 상용화의 기대감을 높아졌다.

유니스트(UNIST·울산과학기술원) 에너지화학공학과 류정기·장지욱·장성연 교수팀은 목질계 바이오매스 중 ‘리그닌’만 분해해 고부가가치 화합물을 얻고, 이 과정에서 추출된 전자를 태양광 수소 생산에 쓰는 고효율 수전해 기술을 개발했다고 5일 밝혔다. 이 기술에는 페로브스카이트 광전극이 쓰였으며, 외부 에너지 공급 없이 태양광 에너지만으로 수소 생산이 가능하다.

목질계 바이오매스 중 리그닌은 주로 폐기되는 물질이었다. 그 구조가 복잡해 쉽게 분해되지 않으며, 150℃ 이상의 고온과 고압으로 처리해도 경제성 낮은 화합물이 생성됐기 때문이다. 그러나 리그닌이 목질계 바이오매스에서 차지하는 비중이 20~30%로 큰 만큼 유용한 물질로 만들려는 시도는 꾸준히 진행됐다.

연구팀은 리그닌이 바닐린으로 변하는 과정에서 나온 전자를 추출해 수전해 기술의 단점 보완에 활용했다. 수전해 기술은 물을 전기로 분해해 수소를 얻는 기술인데, 기존 방식은 수소와 함께 발생한 산소로 인한 폭발할 가능성 등 여러 문제를 안고 있었다. 또 수전해 기술 중 태양광 에너지를 연료로 전환하는 ‘태양광 수소 생산 시스템’들은 높은 에너지가 필요해 전기에너지를 추가해야 하는 상황이었다.

연구팀은 리그닌의 변환 중에 얻은 전자를 활용해 산소 발생을 막는 수전해 시스템을 설계했다. 또 가시광선 전체 영역의 빛을 흡수하는 페로브스카이트 광전극을 적용해 수소 생산량을 늘렸다. 그 결과 이 시스템은 태양광 아래에서 20시간 동안 효율적이고 안정적으로 수소를 생산할 수 있었다.

류정기 교수는 “기존 태양광 수전해 시스템보다 적은 에너지로 그린 수소를 생산할 수 있다”며 “촉매를 활용한 목질계 바이오매스의 선택적 분해 기술은 셀룰로오스의 구조의 변형 없이 리그닌만 선택적으로 분해하기 때문에 목질계 바이오매스를 효과적으로 활용할 뿐만 아니라 구성 성분을 모두 활용할 수 있는 경제적 기술”이라고 강조했다..

이번 연구에는 최유리 연구교수 외에도 라시미 메흐로타(Rashmi Mehrotra) 연구원, 이상학 연구원이 공동 제1저자로 참여했고, 김용환 유니스트 교수와 이재원 전남대 교수가 자문했다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 10월 3일자로 공개됐다.

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햇빛과 산소를 이용해 자동차 내장재나 화장품의 원료를 합성하는 촉매 시스템이 개발됐다. 이번 연구는 촉매 분야 연구의 최고 권위지인 ‘네이쳐 카탈리시스(Nature Catalysis)’ 표지논문으로 선정돼 정식 출판을 앞두고 있다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 이용훈)은 곽자훈·장지욱(이상 에너지화학공학과)·주상훈(화학과) 교수팀이 고부가가치 석유화학 원료인 산화프로필렌을 합성하는 ‘ 3종 촉매 융합 시스템’을 개발했다고 9일 밝혔다.

3종류 촉매가 연속적으로 반응해 프로필렌을 산화하도록 설계된 시스템이다. 기존에 프로필렌을 산화시키는 화학공정은 유해물질을 배출하는 문제가 있었는데, 이 시스템은 유해물질 배출이 없이 태양광 에너지와 산소만으로 산화프로필렌을 만들 수 있다..

장지욱 교수는 “추가적인 외부전압과 값비싼 화합물 없이 태양광으로 작동하는 산화프로필렌 합성 시스템을 최초로 선보였다는 점에서 그 의미가 크다”며 “광촉매 성능을 더 개선한다면 상업적으로도 더 큰 가치가 있을 것”이라고 설명했다.

곽자훈 교수는 “가장 풍부하고 값싼 산소를 사용해 산화프로필렌을 합성하는 촉매 기술은 석유화학 분야의 난제 중 하나였다”며 “그만큼 산업적으로도 파급력이 큰 연구”라고 설명했다.

주상훈 교수는 “이번 연구를 통해 산화프로필렌 뿐만 아니라 다양한 화합물을 친환경적으로 생산할 수 있는 광전기화학 기술의 잠재력을 입증했다”고 말했다.

이번 연구는 고묘화 UNIST 석박통합과정 대학원생, 김용선 UNIST 박사, 우진우 UNIST 박사가 공동 1저자로 참여했다.

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바닷물로 수소를 저장하는 기술이 개발됐다. 수소를 고압에서 압축하거나 저온 액화시키는 기존 저장기술과 달리 상온·상압에서 수소를 저장하고 추출할 수 있는 기술이다. 수소 시대를 앞당길 새로운 수소 저장 기술로 주목받고 있다.

울산과학기술원(UNIST)는 에너지화학공학과 연구진들이 해수전지 기반 수소저장 시스템을 개발했다고 24일 밝혔다. 해수의 염분 성분인 나트륨(소듐)과 물을 반응시켜 수소를 뽑아내는 시스템이다.

장지욱 교수(수소 생산·저장 전문), 강석주 교수(가스 분석전문), 서동화 교수(이론 ·해석 전문), 그리고 김영식·황수민 교수(전지 전문가) 공동으로 주도했다.

에너지화학공학과 판카즈 샤르마(Pankaj Sharma) UNIST 박사, 한진협 UNIST 박사, 박재현 UNIST 석박통합과정 대학원생, 김동연 UNIST 박사가 공동 1저자로 참여했다.

장지욱 교수는 “무한한 자원인 바닷물을 이용하는 해수전지 시스템을 활용해 에너지 저장·수송과 수소 저장·생산이 동시에 가능한 신개념 수소저장기술을 선보였다”며 “이 시스템은 수소 생산과 충전을 동시에 할 수 있는 스마트 스테이션 등 수소 생산·저장·운송이 필요한 다양한 분야에 활용할 수 있다”고 설명했다.

울산시와 UNIST, 기후변화대응기초원천기술개발 과제 등의 지원을 받아 이뤄진 이번 연구 성과는 저명 국제 학술지인 ‘미국화학회 골드지(JACS Au)’에 지난 3일자로 공개됐다. 국제 학술지인 ‘미국화학회 골드지(JACS Au)’에 지난 3일자로 공개됐다.

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유기 반도체 기반의 고효율, 고안정성 광전극(photoanode)가 개발됐다. 광전극을 물에 넣고 햇빛을 쪼여 수소를 얻는 ‘태양광 수소’시대가 더 앞당겨질 전망이다.

UNIST (총장 이용훈) 장지욱·양창덕·조승호 교수팀은 유기 반도체 물질을 물로부터 효과적으로 보호하는 ‘모듈시스템’을 이용해 성능과 안정성이 모두 우수한 광전극을 개발했다. 기존 무기 반도체 기반 광전극 보다 수소 생산 효율이 2배 이상 높을 뿐만 아니라 대면적 제조가 가능해 가격 측면에서도 유리하다.

에너지화학공학과 장지욱 교수는 “높은 효율을 갖는 유기물을 광전극에 적용할 수 있다는 가능성을 보인 연구” 라며 “기존에 효율 측면에서 한계가 있었던 태양광 수소 전환 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구 성과는 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 2일자로 공개됐다. 유제민 UNIST 석박통합과정 대학원생, 이정호 UNIST 박사(現 퍼듀대학교 박사 후 연구원), 김윤서 UNIST 석박통합과정 대학원생이 공동 1저자로 참여하였다.

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2019년 11월 13일 울산과학기술원 경동홀에서 진행한 에너지 및 화학공학부  최우수대학원생 상 시상식에서 고묘화 학생이 수상하였습니다.

Myohwa Ko is beeing recognized for 2019 Outstanding Graduate Student Award for Excellence given by the department for Chemical Engineering in November 2019.

UNIST(총장 이용훈)가 제 26회 휴먼테크논문대상에서 12명의 수상자를 배출했다. 금상 2명, 은상 3명, 동상 5명, 장려상 2명 등이다.

각 분야 최고상인 금상 수상자는 2명으로, 에너지와 환경(Energy & Environment) 분야와 기계공학(Mechaniical Engineering) 분야에서 높은 평가를 받았다. 특히 에너지와 환경분야에서는 3년 연속 금상수상자가 나왔으며, 은상 1명과 동상 2명도 함께 배출하며 이 분야의 선도적 연구역량을 입증했다.

금상 수상자로는 임태정 학생(지도교수 주상훈), 성민호 학생(지도교수 정훈의)이 선정되었고 은상 수상자로는 이용선 학생(지도교수 최재혁), 유제민 학생(지도교수 장지욱), 이양하 학생(지도교수 박철민)이 선정됐다.

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버려지는 목재로 유용한 고부가가치 화학물질을 만드는 기술이 개발됐다. 석유화학제품 사용량을 줄이는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 장지욱, 김용환, 주상훈 에너지및 화학공학부 교수와 사영진, 고묘화, 르땅마이팜 연구원팀이 버려지는 목재에 많이함유된 물질인 ‘리그닌’을 태양광 에너지로 고부가가치 화합물로 바꾸는 융합촉매시스템을 개발했다고 18일 발표했다.

장 교수는 “추가전압이나 시약 없이 태양광 에너지만으로 리그닌을 분해할 수 있는 시스템은 처음”이라며 “이를 통해 바닐린이나 바이오고분자 등 각종 화학제품에 필요한 고부가가치 화학물을 얻을 수 있다”고 말했다. 김 교수는 “친환경적인 방법으로 바이오매스를 방향족 석유화학제품으로 전환할 새로운 가능성을 열었다”고 말했다.

연구결과는 국제 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션스’ 12일자에 발표됐다.

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‘과학계의 신인상’. 포스코사이언스펠로(POSCO Science Fellow)에 4명의 UNIST 소속 연구자들이 이름을 올렸습니다. 올해 11기에는 총 40명의 펠로가 선정됐는데 그중 10%의 연구자가 UNIST 소속인 셈입니다. 영광스런 선정의 주인공은 신진교수 펠로에 선정된 박철 자연과학부 교수(수학), 박성호 생명과학부 교수(생명과학), 장지욱 에너지 및 화학공학부 교수(에너지소재) 등 3명과 포스트닥터 펠로로 선정된 곽은지 신소재공학부 박사(금속, 지도교수 김주영)입니다.

포스코사이언스펠로십은 포스코청암재단에서 운영하는 핵심 사업으로, 국내 기초과학 연구자들이 자긍심과 안정감을 갖고 연구할 수 있도록 지원하고 있습니다. 올해는 특히 기초과학뿐만 아니라 응용과학(금속, 신소재, 에너지소재)까지 그 범위를 넓혀 주목을 받았습니다. 재단은 이와 함께 선발인원이 기존 30명에서 40명으로 늘렸고, 신진교수 펠로의 경우 지원 금액을 7천만원에서 1억원(2년간) 으로 대폭 증액했습니다.

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이재성 에너지 및 화학공학부 교수팀이 고효율 ‘인공나뭇잎’ 소자를 개발했다. 인공나뭇잎은 물과 햇빛을 원료로 양분을 만드는 나뭇잎처럼 햇빛을 이용해 값비싼 수소 연료를 생산하는 반도체 소자다.

이재성 교수팀은 독일 헬름홀츠 연구소 반디크롤(van de Krol) 교수팀과 함께 물속에서 햇빛을 받으면 수소를 발생시키는 인공나뭇잎(광촉매) 소자를 개발했다. 이 소자는 해조류의 광합성 원리를 모방해 태양에너지를 수소로 전환하는 효율을 8%까지 끌어올렸다.

이번 연구결과는 영국의 네이처 퍼블리싱 그룹(Nature Publishing Group)에서 발행하는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 14일자로 게재됐다. 연구 지원은 미래창조과학부가 추진하는 기후변화대응 사업과 중견연구자 사업을 통해 이뤄졌다

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