'스티로폼'으로 대표되는 폴리스타이렌 유래 물질에 수소를 저장했다 필요할 때 꺼내 쓸 수 있는 기술이 나왔다.
1%도 안 되는 폴리스타이렌 재활용률을 높이고, 기체 상태로는 저장·운반이 까다로운 수소를 보다 쉽게 다룰 수 있는 길이 열렸다.
UNIST 에너지화학공학과 안광진 교수팀은 KIST 손현태 박사, POSTECH 한지훈 교수팀과 함께 폐폴리스타이렌을 열분해해 액상 유기 수소 운반체(LOHC)로 전환하고, 저장된 수소를 고순도로 회수하는 전 주기 시스템을 개발했다.
LOHC는 이 물질의 고리형태 화학 구조에 수소를 결합시켰다가, 열과 촉매로 다시 떼어내 쓸 수 있는 수소 저장 매체다.
액체 상태라 상온·상압에서 장기간 보관할 수 있고, 기존 석유 운송망과도 호환되는 장점이 있다.
연구팀은 폴리스타이렌이 방향족 고리를 많이 포함하고 있는 고분자 물질이라는 점에 착안해 이 같은 기술을 개발했다.
폴리스타이렌을 가열하면 스타이렌, 톨루엔 등 저분자 방향족 고리 물질이 분해돼 나온다.
이 물질들을 고온에서 수소 기체와 반응시켜 수소를 저장하고, 이후 탈수소화 반응으로 수소를 다시 분리해낸다.
수소 저장·분리에는 촉매가 쓰였다.
저장에는 루테늄 촉매를, 방출에는 백금 촉매를 사용했다.
백금 촉매가 뿌려진 금속 산화물 지지체의 구조에 따라 수소 방출 효율이 크게 달라지는데, 나노시트 형태 알루미늄 산화물의 반응성과 안정성이 모두 뛰어난 것으로 밝혀졌다.
촉매 표면에 침전물이 쌓이는 문제를 해결하기 위해서는 분별증류 공정을 활용했다.
불순물을 사전에 걸러내 촉매 수명을 늘리는 방식이다.
공정 효율과 경제성도 함께 분석됐다.
열분해에 필요한 열을 외부에서 공급하는 대신, 공정 중 발생하는 폐자원을 연소해 자체 열원으로 활용함으로써 에너지 소비를 줄이고 폴리스타이렌 처리량도 늘릴 수 있는 것으로 나타났다.
공동연구팀은 "이번 연구는 폐폴리스타이렌에서 얻은 화합물을 실제 수소 저장·방출에 적용한 세계 최초의 사례"라며 "폐기물 활용과 수소 저장이라는 두 문제를 동시에 해결할 수 있는 전략으로서, 향후 산업 현장과 정책 수립 분야에서도 활용 가능성이 높다고 본다"고 말했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 중견연구자 과제와 집단연구 ERC 과제 (미세플라스틱 대응 화공/바이오 융합 공정 연구센터)의 연구비 지원을 받아 진행됐으며, 결과는 세계적인 학술지 'ACS Catalysis'의 후면 표지 논문으로 선정돼 8월 1일 출판됐다.
영남취재본부 김철우 기자 sooro97@asiae.co.kr
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