“전기 없이 오직 햇빛만으로 폐기물을 자원으로” GIST, 태양광 기반 무전압 업사이클링 기술 세계 최고 성능 달성 > 유지/관리

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)이 태양광만으로 산업 폐기물을 고부가가치 화학물질로 전환하는 기술 개발에 성공했다.

GIST 신소재공학과 이상한 교수 연구팀은 유기반도체 광전극과 니켈-철-인(Ni-Fe-P) 촉매를 결합한 광전기화학 시스템을 개발해, 외부 전력 공급 없이 태양광만으로 글리세롤과 질산염을 각각 포름산(개미산)과 암모니아로 전환하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.

‘무전압 업사이클링(Bias-free Upcycling)’으로 불리는 이 기술은 신재생에너지만으로 산업 폐기물을 처리하는 방식으로, 이번 성과는 세계 최고 수준의 반응 효율성과 선택성을 기록한 것으로 평가된다.

연구팀은 바이오디젤 산업에서 발생하는 대표적 폐기물인 글리세롤과, 비료 사용으로 인해 토양과 수질 오염을 유발하는 질산염을 동시에 처리할 수 있는 전기촉매를 개발했다. 니켈-철 합금에 인(P)을 도핑한 촉매는 내식성과 선택성이 뛰어나며, 이를 유기반도체 기반 광전극과 결합하고 금속 호일로 보호막을 씌워 내구성을 높였다.

그 결과, 광음극에서는 질산염이 암모니아로, 광양극에서는 글리세롤이 포름산으로 전환되는 무전압 광전기화학 시스템이 구현됐다. 실험 결과, 이 시스템은 11.04 mA/cm²의 전류밀도와 95% 이상의 패러데이 효율을 기록하며, 두 폐기물을 동시에 고부가가치 화학물질로 변환할 수 있는 가능성을 입증했다.

암모니아는 비료 산업뿐만 아니라 플라스틱, 냉매, 수소 저장 등 다양한 분야에서 핵심 원료로 사용되며, 포름산은 최근 수소 운반체 및 연료전지용 친환경 액상 연료로 주목받고 있다.

이상한 교수는 “이번 연구는 태양광만으로 작동하는 친환경 업사이클링 시스템의 상용화를 앞당길 기술적 돌파구”라며, “산업 폐기물 재활용에 있어 지속 가능한 공정 개발의 새 장을 열었다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구사업(중견연구) 및 미래수소원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 《어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)》에 2025년 8월 1일자 온라인판으로 게재됐다.