▲ 폴리스타이렌의 업사이클링을 통한 액상 유기 수소 운반체로의 활용한 기술 모식도(출처: UNIST)

국내 연구진이 폴리스타이렌 유래 물질에 수소를 저장했다 필요할 때 꺼내 쓸 수 있는 기술을 개발해 폐기물 활용과 수소 저장 문제 해결에 기여할 전망이다.

UNIST는 에너지화학공학과 안광진 교수팀이 KIST 손현태 박사, POSTECH 한지훈 교수팀과 함께 폐폴리스타이렌을 열분해해 액상 유기 수소 운반체(LOHC)로 전환하고, 저장된 수소를 고순도로 회수하는 전 주기 시스템을 개발했다고 6일 밝혔다.

LOHC는 물질의 고리형태 화학 구조에 수소를 결합시켰다가, 열과 촉매로 다시 떼어내 쓸 수 있는 수소 저장 매체다. 액체 상태라 상온·상압에서 장기간 보관할 수 있고, 기존 석유 운송망과도 호환되는 장점이 있다.

연구팀은 폴리스타이렌이 방향족 고리를 많이 포함하고 있는 고분자 물질이라는 점에 착안해 이 같은 기술을 개발했다. 폴리스타이렌을 가열하면 스타이렌, 톨루엔 등 저분자 방향족 고리 물질이 분해돼 나온다. 이 물질들을 고온에서 수소 기체와 반응시켜 수소를 저장하고, 이후 탈수소화 반응으로 수소를 다시 분리해낸다.

수소 저장·분리에는 촉매가 쓰였다. 저장에는 루테늄 촉매를, 방출에는 백금 촉매를 사용했다. 백금 촉매가 뿌려진 금속 산화물 지지체의 구조에 따라 수소 방출 효율이 크게 달라지는데, 나노시트 형태 알루미늄 산화물의 반응성과 안정성이 모두 뛰어난 것으로 밝혀졌다.

촉매 표면에 침전물이 쌓이는 문제를 해결하기 위해서는 분별증류 공정을 활용했다. 불순물을 사전에 걸러내 촉매 수명을 늘리는 방식이다.

공정 효율과 경제성도 함께 분석됐다. 열분해에 필요한 열을 외부에서 공급하는 대신, 공정 중 발생하는 폐자원을 연소해 자체 열원으로 활용함으로써 에너지 소비를 줄이고 폴리스타이렌 처리량도 늘릴 수 있는 것으로 나타났다.

공동연구팀은 “이번 연구는 폐폴리스타이렌에서 얻은 화합물을 실제 수소 저장·방출에 적용한 세계 최초의 사례”라며, “폐기물 활용과 수소 저장이라는 두 문제를 동시에 해결할 수 있는 전략으로서, 향후 산업 현장과 정책 수립 분야에서도 활용 가능성이 높다고 본다”고 밝혔다.