POSTECH(포항공과대학교·총장 김무환)은 한정우 화학공학과 교수와 황진우 통합과정 연구팀이 중국 화남 이공대학(South China University of Technology)과 공동 연구로 촉매 활성에 수소와 산소가 영향을 미친다는 사실을 규명했다고 13일 밝혔다.

폐식용유를 자동차 기름으로 바꿔 유용성을 보인 바이오디젤은, 폐기물 처리와 연료 확보라는 '두 마리 토끼'를 한 번에 잡는 연료로 주목받고 있다. 바이오디젤 생산량이 증가함에 따라, 생산 과정에서 생겨나는 글리세롤 또한 더욱 쓸모 있는 물질로 바꾸려는 시도가 이어졌다. 현재까지는 촉매의 금속이 글리세롤의 변환 효율을 좌우한다고 알려져 있었지만, 촉매 효율을 높일 또 하나의 비밀이 밝혀졌다.

기존 글리세롤의 산화 환원 반응을 활성화하기 위해 가장 중요하게 고려됐던 요소는 촉매의 '금속'이다. 이는 촉매에 반응하는 글리세롤의 산화 환원 과정이 구체적으로 알려지지 않았기 때문이다. 이에 연구팀은 밀도범함수 이론(DFT, Density functional theory) 계산으로 글리세롤 산화 환원 반응을 세분화하는 데 성공했다. 이를 통해 금속뿐 아닌 촉매 표면 수소와 산소가 촉매 활성에 중요한 역할을 한다는 점을 첫 규명했다.

☞밀도범함수 이론 : 물질·분자 내부의 전자 거동과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론 중 하나. 이론을 통해 소재 구조와 성질 등을 예측할 수 있다.

연구팀은 수산화 니켈(Nickel Hydroxide) 촉매에 코발트(Co)를 추가하자 촉매 표면에서 수소와 산소가 분리됨을 확인했다. 이에 따라 촉매의 전자 구조가 바뀌고, 산소와 수소가 촉매 내외부를 오가면서 글리세롤의 산화 환원 반응이 촉진됐다. 연구 결과, 이 촉매는 1.35 볼트(V)에서 100밀리 암페어/제곱센티미터(mA/cm2)의 높은 전류 밀도와 94.3%의 우수한 포름산 변환 효율을 기록했다.

연구팀은 "포름산은 가축 사료·음식의 방부제, 약·화장품 등 원료로 활용될 수 있는 물질로, 이번 연구성과는 바이오디젤의 부산물까지도 효율적 변환 가능성을 제시했다는 데 의의가 있다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 최근 게재됐다.