제지 공장 폐기물이 친환경 수소 촉매가 되다

제지 공장 폐기물을 수소 촉매로 전환하기

친환경 수소 생산이 경제의 한 축으로 자리 잡으려면 화석연료나 다른 합성 액체연료와 경쟁할 수 있을 만큼 비용을 낮추는 것이 핵심입니다.

이 과정은 가능한 한 지속 가능해야 하며, 화석 연료 오염을 다른 형태의 오염으로 대체하는 것은 역효과가 될 것입니다.

투자와 인프라 부족도 문제였으며, European Hydrogen Backbone (EHB)와 같은 메가프로젝트가 이를 해결할 것으로 기대됩니다.

그럼에도 수소 생산의 주요 문제는 촉매입니다. 오랫동안 수소 전기분해는 백금이나 팔라듐 같은 고가의 촉매에 의존해 왔습니다. 이러한 금속은 매우 희귀하고 비싸기 때문에(“백금 투자 – 범용 촉매”에서 설명했듯이) 수소 전해조 역시 매우 비쌉니다.

다행히도 대체재가 등장하고 있습니다. 예를 들어 니켈 나노로드, 철 나노 규모 중공성 구체, 광촉매용 실리콘 카바이드, 혹은 코발트 텅스텐 산화물 등이 있습니다.

중국 신양 농업대학과 광동 공과대학 연구진이 제지 생산 과정의 폐기물을 촉매로 활용하는 새로운 옵션을 제안했습니다.

연구진은 연구 결과를 Biochar에 “산소 발생 반응 촉진을 위해 NiO/Fe3O4를 담지한 리그닌 유래 탄소섬유”라는 제목으로 발표했습니다.

수소 생산을 위한 산소 발생

물은 산소와 수소 원자(H₂O)로 이루어져 있으므로, 사용할 수 있는 수소(H₂)를 생산하려면 산소 원자를 대기 중 산소로 전환해야 합니다.

이 단계는 전력을 낭비하지 않으면서 효율적으로 일어나도록 설계하기가 가장 어려운 과정 중 하나입니다. 또한 고가의 촉매가 필요한 단계이기도 합니다.

연구진은 이러한 촉매 대신 목재의 구성 성분이자 목재 펄프를 종이로 정제한 뒤 남는 부산물인 리그닌을 사용했습니다. 이 공정에서는 셀룰로스를 추출하고 불필요한 리그닌을 남깁니다.

연간 리그닌 생산량은 7천만 톤을 넘습니다. 현재는 처리 목적으로, 생산되는 에너지가 적음에도 단순히 태워 버리는 경우가 많습니다.

“산소 발생은 효율적인 수소 생산을 가로막는 가장 큰 장벽 중 하나입니다.

이번 연구는 제지 및 바이오리파이너리 산업의 저부가가치 부산물인 리그닌으로 만든 촉매가 높은 활성과 뛰어난 내구성을 제공할 수 있음을 보여 줍니다. 이는 대규모 수소 생산을 위한 더 친환경적이고 경제적인 경로를 제시합니다.”

— 광둥공과대학교 옌린 친

리그닌을 수소 촉매로 만들기

탄소 섬유를 촉매로

일반적으로 탄소 지지체는 넓은 표면적, 조절 가능한 다공성, 화학적 불활성, 뛰어난 전기전도성 덕분에 이상적인 촉매 재료로 여겨집니다.

그러나 폴리아크릴로니트릴 섬유나 화학기상증착(CVD) 방식으로 성장시킨 탄소섬유 같은 다른 재료는 높은 비용, 값비싼 제조 공정 또는 부족한 화학적 특성 때문에 활용이 제한적입니다.

연구진은 버려지는 리그닌의 방향족이 풍부한 구조와 복잡한 미세구조가 고성능 다공성 탄소 재료를 제조하는 데 유망한 탄소 전구체가 될 수 있다는 점에 주목했습니다.

리그닌의 무질서한 미세조직은 초미세 금속 및 금속산화물 나노입자를 고정할 수 있습니다. 또한 서로 연결된 섬유망은 전류가 흐를 수 있는 곧은 전자 이동 경로와 열린 거대기공 채널을 제공합니다. 마지막으로 리그닌의 전 과정 탄소발자국은 CO₂ 환산 기준 kg당 0.5kg 미만으로 추정되며, 지금까지 제안된 다른 탄소계 재료보다 10배 이상 낮습니다.

리그닌 촉매 생산

리그닌, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 금속 전구체(Ni²⁺, Fe³⁺)를 N,N-디메틸포름아미드(DMF)에 함께 용해한 뒤 전기방사하여 균일한 전구체 섬유를 만들었습니다.

이후 이를 탄화해 금속 촉매가 섬유 내부에 균일하게 분산된 최종 리그닌 유래 탄소섬유를 만들었습니다.

그 결과물을 투과전자현미경으로 분석한 결과, NiO/Fe₃O₄ 나노입자가 리그닌 유래 탄소섬유에 고정되어 있는 것으로 나타났습니다.

NiO와 Fe₃O₄ 사이의 나노 규모 접합부도 관찰됐으며, 이는 전자 전달을 촉진하고 산소 발생 반응 활성을 높일 것으로 예상됩니다.

X선 회절(XRD), X선 광전자 분광법(XPS), 라만 분광법을 이용한 추가 분석으로 촉매의 구조적 조성을 밝혀내고 NiO와 Fe₃O₄ 접합부 형성에 가장 적합한 조건을 확인했습니다.

촉매 성능 측정

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산소 발생 반응 활성을 측정한 뒤 NiO와 Fe₃O₄를 각각 따로 사용한 재료와 비교했습니다.

그 결과 두 금속 촉매가 모두 존재할 때 수소 생산을 위한 화학반응이 가장 강하게 나타났습니다. 또한 50시간 넘게 연속 작동한 뒤에도 촉매에 뚜렷한 손상이 없어 장기 안정성도 입증됐습니다.

연구진은 어떤 반응이 일어나는지 더 깊이 분석해, 전자와 일시적으로 전하를 띤 산소 형태·개별 원자·분자가 연속적으로 흡착되는 “흡착-진화 메커니즘(AEM) 경로”를 반응이 따른다는 사실을 입증했습니다.

응용 분야

매우 저렴한 리그닌과 철, 비교적 저렴한 니켈을 사용해 효율이 높고 비용이 낮으며 내구성이 긴 수소 촉매를 만들면 두 가지 가능성이 동시에 열립니다.

• 현재 태워 버리는 탄소 부산물인 리그닌을 친환경 에너지 촉매로 전환해 부가가치를 높일 수 있습니다.
• 빠르게 규모를 확대할 수 있는 방식으로 수소 촉매를 대량생산할 수 있습니다.

이번 연구에 사용된 모든 방법과 재료는 규모 확대가 쉽습니다. 따라서 이는 희귀한 백금족 금속을 사용하지 않으면서도 대량생산에 즉시 적용할 수 있는 최초의 대체 수소 생산 촉매 재료가 될 수 있습니다.

다만 실제 환경에서 개질 리그닌의 매우 장기적인 안정성(1년 이상의 연속 또는 간헐적 사용)을 평가하려면 추가 연구가 필요합니다. 산업 규모의 수소 촉매로서 실용성이 있는지 판단하려면 습도, 온도, 자외선 등의 변화가 미치는 영향도 검증해야 합니다.

수소 생산에 투자하기

Plug Power는 녹색 수소 분야의 선두주자로, 연료 전지에 집중하고 있습니다. 이 회사는 300개 이상의 현장에서 72,000대 이상의 연료 전지를 설치했으며, 특히 물류용 포크리프트에 40,000대 이상을 공급하고 2013년 이후 매출이 8배 성장했습니다.

또한 수소 생산, 물류, 유틸리티 규모 발전, 배송 등 수소 인프라 구축에도 참여하고 있습니다.

회사는 2027년까지 생산량을 14배 늘리는 동시에 수소 생산 비용을 kg당 10달러에서 4달러로 낮추는 것을 목표로 합니다. 또한 외부에서 조달하던 수소를 모두 자체 생산으로 대체할 계획입니다. 외부 조달 수소는 고객에게 손실을 보며 되파는 경우가 많았습니다.

2020년 이후 생산능력을 19배 확대하기 위해 막대한 투자를 한 탓에 회사는 아직 수익을 내지 못하고 있습니다. 그러나 자체 수소 조달이 진전되면 이러한 상황이 달라질 수 있습니다.

회사는 자사 솔루션을 직접적인 운송 연료이자 전기차의 보완재로 봅니다. 수소를 활용하면 전기차 충전 수요가 가장 몰리는 시간대와 낮 동안 재생에너지가 가장 많이 생산되는 시간대가 일치하지 않아 생기는 전력망 부담을 줄일 수 있기 때문입니다.

주요 연료전지 생산업체인 Plug Power는 수소 기반 경제로의 전환에서 큰 혜택을 받을 수 있습니다. 더 저렴한 연료전지 촉매를 설계에 통합하면 수소 차량과 전력망 규모 에너지 저장장치의 보급을 촉진할 수 있습니다.

따라서 Plug Power는 수소의 생산·저장·운송·활용 비용을 낮추는 새로운 방법이 나올 때마다 연료전지 수요가 늘어나는, 전반적인 수소 전환에 투자할 수 있는 종목입니다.

(Plug Power에 관한 자세한 내용은 이 회사에 대한 별도 투자 보고서에서 확인할 수 있습니다.)

최신 Plug Power (PLUG) 주식 뉴스 및 개발

참조 연구

^{1. Xuezhi Zeng, Yutao Pan, Yi Qi, Yanlin Qin, & Xueqing Qiu. 산소 발생 반응 촉진을 위해 NiO/Fe3O4를 담지한 리그닌 유래 탄소섬유. BiocharX. 1권, 논문 번호 e011. 2025년 11월 27일. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}