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- 플라스틱 오염과 청정에너지 생산이라는 두 가지 문제를 해결하는 방식
- 포도당으로부터 수소 1밀리몰을 생산하는 데 약 1.08유로(한화 1915원)가 소요
- 현재 기술로는 경제성이 낮아
- 이번 연구는 확장성 문제에 대한 가능한 해결책을 제시했다는 점에서 의미

햇빛으로 플라스틱 폐기물을 "친환경" 수소로 전환

실험용 태양광 반응기가 플라스틱 폐기물에서 수소와 기타 유용한 화학 물질을 생산한다. 지금까지 이러한 업사이클링 반응은 주로 실험실 규모에서만 가능했다. 새로운 공정은 이 기술을 산업적으로 적용하는 것이 목표다. 초기 야외 테스트 결과는 고무적이지만, 상용화까지는 아직 갈 길이 멀다. 

▲ 폐 PET 병은 친환경 수소 생산을 위한 원료로 활용될 가능성이 있다. · 사진: © Kemter

전 세계적으로 막대한 양의 플라스틱 폐기물이 환경을 오염시키고 있다. 동시에 산업 및 에너지 운반체 등으로 사용될 수 있는 지속 가능하고 기후 친화적인 방식으로 생산된 수소에 대한 수요가 증가하고 있다. 영국 케임브리지 대학교의 아리핀 빈 모하마드 안누아르(Ariffin Bin Mohamad Annuar) 교수가 이끄는 연구팀은 이 두 가지 문제를 동시에 해결하려고 한다. 연구팀은 "청정 에너지원을 사용해 폐기물을 가치 있는 제품으로 전환하는 것은 에너지 및 환경 문제를 해결하는 매력적인 전략"이라고 밝혔다.

▲ 연구개요도 (출처;Published: 24 June 2026 / Photoreforming of solid waste on 1 m2 scale using single-source precursor-derived co-catalyst films / nature chemical engineering)

이 연구팀은 수년간 햇빛을 이용해 플라스틱 폐기물 및 기타 폐기물을 유용한 화학 물질로 분해하는 방법을 연구해 왔다. 그러나 이러한 소위 광촉매 개질(改質 Reforming: 열이나 촉매의 작용으로 탄화수소의 구조를 변화시켜, 옥탄값이 낮은 가솔린의 내폭성(耐爆性)을 높이는 일)은 지금까지 주로 고온, 강력한 화학 물질 또는 복잡한 제조 공정을 필요로 했다. 실험실 규모에서 효과가 있었던 방식이 더 큰 규모로 확장되는 것은 어려웠다.

▲ 연구팀이 개발한 반응기는 햇빛을 이용하여 폐기물에서 수소를 분해한다. — © 케임브리지 대학교

확장 가능한 접근법

"플라스틱 오염과 청정에너지 생산이라는 두 가지 문제를 해결하는 방식을 진정으로 바꾸려면 이러한 광촉매 소재와 반응기를 제조하는 확장성이 뛰어난 공정을 개발하고, 그것이 실제로 현장에서 효과가 있음을 입증해야 한다"고 안누아르의 동료인 에르빈 라이스너(Erwin Reisner)는 말했다. 연구팀이 이제 바로 그 일을 해냈다. 새롭게 개발된 공정을 통해 특수 장비 없이 상온에서 거의 모든 규모의 태양광 반응기를 제조할 수 있게 되었다.

태양광 발전 시스템과 달리, 새롭게 개발된 태양광 반응기는 전기를 생산하는 것이 아니라 태양 에너지를 직접 이용하여 화학 반응, 즉 플라스틱 폐기물에서 수소를 분해하는 반응을 일으킨다. 이를 위해서는 빛을 흡수하는 분자와 반응을 촉진하는 촉매가 필요하다. 안누아르 연구팀은 간단한 분무기를 사용해 이러한 구성 요소를 유리판에 도포하는 방법을 개발했다. 먼저 광활성화층을 도포한 다음, 코발트와 지르코늄 등으로 구성된 촉매층을 도포한다.

▲ Al:SrTiO3|Co-SSP 시스템의 특성 분석 및 제조 과정. a, Co4Zr2O(OnPr)10(acac)4의 분자 구조. 수소 원자와 일부 n-프로폭사이드 리간드의 미세한 구조적 불규칙성은 생략하였다. 파란색, 청록색, 빨간색 타원체는 각각 Co, Zr, O를 나타낸다. 유기 리간드는 회색 막대로 표시하였다. b, Co-SSP 용액의 UV-vis 스펙트럼. UV-vis 스펙트럼은 1cm 광경로의 석영 큐벳에서 0.04mM THF 용액을 사용하여 측정하였다. c, 다양한 크기의 Al:SrTiO3|Co-SSP 제조 과정 및 Al:SrTiO3|Co-SSPS, Al:SrTiO3|Co-SSPM, Al:SrTiO3|Co-SSPL의 크기 비교 사진. S, M, L은 각각 소형(1cm²), 중형(20.25cm²), 대형(0.25m²) PC 시트를 나타낸다. (출처;Published: 24 June 2026 / Photoreforming of solid waste on 1 m2 scale using single-source precursor-derived co-catalyst films / nature chemical engineering

실제 실험을 위해 연구팀은 코팅된 촉매판 네 개로 구성된 1제곱미터 크기의 반응기를 제작했다. 이 반응기들을 폐플라스틱 용액이 담긴 얕은 용기에 나란히 넣고 케임브리지 대학교 화학관 앞 햇볕 아래에 설치했다. 모하마드 안누아르는 "최적화 과정을 거친 후 모든 것이 생각보다 간단해서 놀랐다"며, "커다란 판에 촉매를 뿌리고 용액에 담근 다음 햇볕에 두면 플라스틱 폐플라스틱에서 수소와 다른 유용한 화학 물질이 생성된다. 간단하고 확장성도 뛰어나다"고 말했다.

▲ Scale-up of Al:SrTiO3|Co-SSP PC sheets.

추가적인 과제

하지만 반응에 적합한 폐플라스틱을 얻으려면 먼저 파쇄하고 화학적으로 전처리해야 한다. 이는 PET 병과 같은 플라스틱 폐플라스틱뿐만 아니라 셀룰로오스와 같은 바이오 소재에도 적용된다. 반응 효율은 출발 물질에 따라 달라졌다. 전처리된 셀룰로오스를 사용했을 때 반응기는 6시간 만에 제곱미터당 1.51mmol(밀리몰)의 수소를 생산했다. 연구진이 폐플라스틱 대신 포도당을 사용했을 때는 수율이 5.24mmol로 증가했다. 포름산염, 아세트산염, 글리콜산염과 같은 화학적으로 유용한 화합물도 추가로 생산되었다. 실험실의 소형 반응기에서는 파쇄 및 전처리된 PET 병을 사용했을 때 셀룰로오스보다 생산량이 적었다. 따라서 대규모 현장 반응기에서는 PET 병을 사용하지 않았다.

▲ a. PC 시트 구조 모식도. b. Al:SrTiO3|Co-SSPS와 유리 기판에 직접 증착된 Co-SSP의 분말 X선 회절 패턴. SrTiO3에 의한 날카롭고 강한 피크는 밀러 지수로 표시되어 있다. 붉은색 띠는 Al:SrTiO3|Co-SSPS에 Co-SSP가 존재함을 나타내는 Co-SSP의 회절 피크를 보여준다. c. Al:SrTiO3|Co-SSPS의 상면 SEM 이미지. d–j. 전체(d), 알루미늄(e), 스트론튬(f), 티타늄(g), 산소(h), 코발트(i) 및 지르코늄(j) EDX 원소 매핑.

연구진은 실제 실험에서 측정된 값을 바탕으로 이 방법을 이용한 수소 생산 비용을 계산했다. 그 결과, 이 기술은 아직 경제적으로 실현 가능하지 않다는 것을 알 수 있었다. 포도당으로부터 수소 1밀리몰을 생산하는 데 약 1.08유로(한화 1915원)가 소요된다. 다른 원료를 사용하면 같은 양의 수소를 몇 센트 정도의 비용으로 얻을 수 있다. 연구진은 "대규모 구현을 통해 현재 시스템보다 수소 생산 비용을 절감할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 또한, 생산되는 다른 화학 물질들도 경제적 수익에 기여할 것이다.

상용화 단계로 나아가기 위해서는 반응기의 내구성과 효율성과 관련된 문제를 포함하여 해결해야 할 과제가 많다. 하지만 이번 연구는 적어도 확장성 문제에 대한 가능한 해결책을 제시했다는 점에서 의미가 있다.
출처: Ariffin Bin Mohamad Annuar(영국 캠브리지 대학교) 외, Nature Chemical Engineering, doi: 10.1038/s44286-026-00406-y

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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