미국 연구진은 새로운 종류의 하이브리드 연료전기를 개발했는데, 이것은 바이오매스로부터 전기를 직접적으로 생성할 수 있다. 

메탄올 또는 수소를 이용한 저온 연료 전지는 잘 연구되었지만, 기존의 저온 연료전지 기술은 폴리머 재료를 위한 효과적인 촉매 시스템의 부족 때문에 바이오매스를 연료로서 직접적으로 사용할 수 없다. 현재, 조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology)의 연구진은 바이오매스를 전류로 직접적으로 전환시킬 수 있는 새로운 유형의 저온 연료전지를 개발했다. 이 연료전지는 태양 에너지 또는 열 에너지에 의해서 활성화되는 촉매를 사용한다. 하이브리드 연료전지는 녹말, 셀룰로오스, 리그닌, 풀(switchgrass), 나무 분말, 조류 등의 다양한 바이오매스를 사용할 수 있다. 이 장치는 개발도상국에 소규모로 전기를 공급하는데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 상당한 양의 바이오매스를 공급할 수 있는 곳에서는 더 큰 규모의 전력을 생산할 수 있다. 

이번 연구진은 상온에서 바이오매스를 처리할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 기술은 사용할 수 있는 바이오매스의 종류를 제한하지 않는다. 이 프로세스는 거의 모든 유형의 바이오매스를 처리할 수 있다. 이것은 시작 물질의 정화 없이 전력을 생산하기 위해서 많은 종류의 바이오매스와 유기 폐기물을 활용할 수 있는 매우 일반적인 방법이다. 바이오매스를 전기로 직접 변환시킬 수 있는 이 새로운 태양열 유도형 하이브리드 연료전지는 저널 Nature Communications에 2월 7일자로 게재되었다. 

바이오매스 연료전지의 문제점은 바이오매스(천연 고분자)의 탄소-탄소 결합이 고가의 귀금속을 포함하는 기존의 촉매에 의해서 쉽게 분해될 수 없다는 것이다. 이런 문제점을 극복하기 위해서, 과학자들은 미생물 또는 효소를 이용해서 바이오매스를 분해할 수 있는 미생물 연료전지를 개발했다. 그러나 이런 프로세스는 많은 단점들을 가진다: 이런 연료전지의 전력 출력은 제한적이고, 미생물 또는 효소는 특정 유형의 바이오매스를 선택적으로 분해할 수 있고, 미생물 시스템은 많은 요인에 의해서 비활성화될 수 있다. 

이번 연구팀은 연료전지의 산화-환원 반응을 활성화하기 위해서 외부 에너지원을 사용함으로써 이 문제를 해결했다. 이 새로운 시스템에서, 바이오매스는 가루로 만들어져서 용액 속의 폴리옥소메탈레이트(polyoxometalate, POM) 촉매와 함께 혼합되었고, 태양광 또는 열에 노출되었다. 광화학적 및 열화학적 촉매인 POM은 산화제와 전하 캐리어로서 활용된다. POM은 광 또는 열 조사 하에서 바이오매스를 산화시키고, 바이오매스에서 연료전지의 양극까지 전하를 전달한다. 그 후에 전자들은 음극으로 전달되는데, 여기서 전기를 생성하기 위해서 산소로 최종적으로 산화된다. 

만약 상온에서 바이오매스와 촉매를 혼합시키면, 그들은 반응하지 않을 것이다. 그러나 그들을 빛 또는 열에 노출시킬 때, 이 반응은 시작된다. 바이오매스가 산소와 직접적으로 반응할 수 없기 때문에 POM은 중간 단계를 유도한다. 

이 시스템은 단일 화학적 프로세스 속에 광화학적 및 태양광-열 바이오매스 분해를 결합함으로써 중요한 장점들을 가지고 있고, 높은 태양광 전환과 효과적인 바이오매스 분해를 이끈다. 또한 이것은 연료 산화 반응들이 용액 속의 POM에 의해 촉진되기 때문에 양극 촉매로서 고가의 귀금속을 사용하지 않는다. 마지막으로, POM이 화학적으로 안정하기 때문에, 하이브리드 연료전지는 귀금속 양극의 중독 문제를 발생시키는 일 없이 정제되지 않는 바이오매스를 사용할 수 있다. 

이 시스템은 액체 속에 부유하는 유기 물질 또는 용해성 바이오매스를 사용할 수 있다. 이 실험에서, 연료전지는 20시간 동안 작동되었는데, 이것은 POM 촉매가 추가적인 처리 없이 재사용될 수 있다는 것을 의미한다. 이번 연구진은 하이브리드 연료전지가 제곱센티미터당 0.72 밀리와트의 최대 전력밀도를 가진다는 것을 증명했는데, 이것은 셀룰로오스 기반의 미생물 연료전지에 비해서 거의 100 배 더 높은 수치이다. 이번 연구진은 이 프로세스가 최적화될 때 출력이 5 ~ 10배까지 증가할 수 있다고 믿고 있다. 

이번 연구진은 이런 유형의 연료전지가 향후에 메탄올 연료전지의 것과 유사한 에너지 출력을 가질 수 있다고 믿고 있다. 이 시스템을 최적화하기 위해서, 관련된 화학적 프로세스와 그들을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 더 나은 이해를 가질 필요가 있을 것이라고 이번 연구진은 말했다. 

이번 연구진은 태양 에너지를 가진 시스템과 폐열과 같은 다른 입력 에너지를 가진 시스템을 비교할 필요가 있다고 말했다. 연료로서 바이오매스를 직접적으로 사용할 수 있는 능력 이외에도, 이 새로운 연료전지는 다른 연료전지 유형과 비교했을 때 더 낮은 비용과 지속성 등의 장점들을 가지고 있다. 

이번 연구진은 화학적 오염이 없는 지속 가능한 재료들을 사용하였다. 태양 에너지와 바이오매스는 오늘날 사용할 수 있는 두 개의 중요한 지속 가능한 에너지원이다. 이 시스템은 화학 연료에 대한 의존성을 줄이면서 전기를 생산하는데 사용될 수 있다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Solar-induced direct biomass-to-electricity hybrid fuel cell using polyoxometalates as photocatalyst and charge carrier” 라는 제목으로 게재되었다.

* 자료 - KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』