폐수에서 암모니아·화장품 원료를 뽑아냈다

UNIST, 광전기화학 시스템 개발
태양광 전기로 생산효율 52.3%… 생산속도 최고
양극에서 암모니아, 음극에서 글리콜산 생산

위쪽의 페로브스카이트 태양전지가 태양빛을 받아 전자와 정공을 생산한다. 생산된 전자는 왼쪽의 촉매로 보내져 질산염과 아질산염을 암모니아로 바꿔주고, 정공은 오른쪽의 촉매로 보내져 에틸렌 글리콜을 글리콜산을 만들어낸다. UNIST 제공

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 조승호·송명훈 교수팀은 태양광 전기로 폐수에서 암모니아와 화장품 원료인 글리콜산을 뽑아냈다고 25일 밝혔다. 연구진이 개발한 기술은 이산화탄소를 배출하지 않는다. 특히 태양광을 이용해 암모니아를 생산하는 효율이 52.3%이며, 생산 속도도 세계 최고다.

송명훈 교수는 "상용화된 실리콘 태양전지보다 높은 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지 통해 이산화탄소 배출 없는 전기화학적 암모니아 생산 기술의 잠재력을 보여줬다"고 말했다. 또 조승호 교수는 "태양광과 폐기물로 그린 암모니아와 고 부가가치 글리콜산을 동시에 생산했다는 점에서 지속 가능한 탄소중립형 에너지 솔루션을 제시한 연구"라고 설명했다.

연구진은 양극에서는 암모니아를, 음극에서는 글리콜산을 태양광 전기로 합성하는 광전기화학 시스템을 개발했다. 폐수 속 아질산염이 태양광전기 에너지를 받아 양극에서 암모니아로 바뀌는 원리다. 반대쪽 음극에서는 에틸렌글리콜이 글리콜산이 만들어진다. 에틸렌글리콜은 폐플라스틱에서 추출되는 원료다.

연구진은 "이 장치의 에너지 효율은 암모니아가 만들어진느 양극 기준으로 이제껏 보고된 최고의 효율인 52.3%를 기록했다"고 설명했다. 암모니아를 생산하는 속도도 미국 에너지부가 제시한 태양광 암모니아 생산의 상용화 기준인 시간당 58.72 μmol/㎠를 넘어서는 146 μmol/㎠에 이른다. 이는 기존 최고 기록보다도 46% 넘게 향상됐다.

연구진은 폐수 속의 아질산염만을 선택적으로 환원시키는 촉매를 개발해 이 같은 고효율 시스템을 만들었다. 폐수 속에서는 질산염과 아질산염이 섞여 있는데, 아질산염으로 암모니아를 만드는 것이 훨씬 빠르고 에너지가 적게 든다. 또 시스템의 짝 반응으로 에너지 소모가 많은 산소 발생 반응이 아닌 글리콜산 발생 반응을 택해 필요한 전기에너지를 더 줄였다.
전기에너지를 제공하는 페로브스카이트 태양전지도 높은 광전류밀도와 내구성을 갖도록 설계했다. 광전류밀도가 증가할수록 암모니아 생산 속도가 빨라진다.

한편, 연구진은 이 새로운 광전기화학 시스템을 나노 과학 분야의 저명 국제 학술지인 '나노 레터스(Nano Letters)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자