한국과학기술원(KAIST)은 폐열로 고부가가치 화학물질 합성에 성공했다고 22일 밝혔다. 상온용 열전소재 기반 열전 촉매반응과 산화환원 효소반응을 접목했다. 박찬범, 정연식 신소재공학과 교수팀이 오민욱 한밭대 교수팀, 프랭크 홀만 네덜란드 델프트 공대 교수팀과 함께 연구했다.
전 세계적으로 1차 에너지 소비를 기준으로 약 70%의 에너지가 사용되지 못한 채 폐열(Waste heat)로 사라진다. 열전(Thermoelectric)소재는 열을 직접 전기로 변환할 수 있는 소재로, 다양한 환경에서 버려지는 폐열을 회수해 전기에너지로 변환하는 열전발전에 사용되는 등, 지속 가능한 에너지 물질로서 주목받고 있다.
그러나 우리가 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 낮은 온도 열원에서 발생하는 저온 폐열은 열전소재를 이용해 충분한 발전효율을 확보할 수 없어, 실 사용처가 매우 제한적이라는 한계점이 있었다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 전기에너지가 아닌 화학 에너지에 주목했다. 화학 에너지는 전기에너지보다 안정돼 보관과 운송이 간편하다는 장점이 있다.
연구팀은 상온용 열전소재인 비스무트 텔루라이드가 100도 이하 낮은 온도에서도 물과 산소로부터 과산화수소를 생성하며, 이런 현상이 열전소재가 만들어내는 전위차에 비례한다는 것을 실험적으로 입증했다.
연구팀은 더 나아가 저온 폐열을 사용하는 비스무트 텔루라이드 열전 촉매반응을 생체촉매인 퍼옥시게나아제 활성에 적용했다. 퍼옥시게나아제는 과산화수소를 이용해 유기합성에서 중요하게 여겨지는 비활성 탄화수소의 선택적 옥시관능화를 유도해 고부가가치 화학 원료로 쓰이는 반응성 산소화 화학종을 생성할 수 있는 효소다. 연구팀은 열전소재가 과산화수소를 실시간으로 공급하도록 설계해 퍼옥시게나아제가 지속해 탄화수소 옥시관능화 반응을 수행하도록 만드는 데 성공했다.
연구팀은 그뿐만 아니라 차량의 대전 시내 주행 중에 발생하는 배기열을 활용해 고부가가치 화학물질 합성에 성공해, 이번에 개발한 시스템의 실용화 가능성도 높였다.
연구팀은 “이번 연구는 폐열을 고부가가치 화학물질 생산에 이용할 수 있음을 처음으로 발견했다는 것에 의의가 있다”며, “열전소재의 반응 메커니즘을 더 자세하게 밝혀 성능을 높이고, 다양한 생체촉매와 접목 및 규모 확대를 통해, 산업적 파급력을 높일 계획”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원을 받아 수행됐다.
KAIST 신소재공학과 윤재호, 장한휘 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 6월 29일자에 게재됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
