울산과학기술원(UNIST) 연구진이 재활용률이 1% 미만인 폐폴리스타이렌을 활용해 수소를 저장하고 회수할 수 있는 혁신적인 시스템을 세계 최초로 개발했다.

안광진 UNIST 에너지화학공학과 교수 연구팀은 손현태 KIST 박사, 한지훈 POSTECH 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 폐폴리스타이렌 열분해 기반 액상 유기 수소 운반체(LOHC) 전환 및 고순도 수소 회수 기술을 완성했다고 6일 밝혔다.

이 기술의 핵심은 폴리스타이렌의 구조적 특성을 활용한 점이다. 폴리스타이렌은 방향족 고리 구조를 다수 포함한 고분자 물질로, 가열 시 스타이렌과 톨루엔 같은 저분자 방향족 화합물로 분해된다. 연구팀은 이렇게 얻어진 분해 산물을 고온 조건에서 수소와 결합시켜 LOHC를 제조했다.

LOHC는 수소를 화학적으로 결합했다가 필요 시 분리할 수 있는 매체로, 상온·상압에서 액체 상태를 유지한다. 이는 기존 석유 유통망을 그대로 활용할 수 있어 수소 운송의 경제성을 크게 향상시킨다.

수소 저장과 방출 과정에서는 각각 루테늄 촉매와 백금 촉매가 사용됐다. 특히 백금 촉매를 담지한 지지체의 구조가 수소 방출 성능을 좌우하는데, 나노시트 형태의 알루미늄 산화물이 최적의 반응성과 안정성을 보였다.

촉매 표면 침전물 축적 문제는 분별증류를 통한 불순물 사전 제거로 해결했다. 이를 통해 촉매의 사용 수명을 연장할 수 있었다.

에너지 효율성 측면에서도 주목할 만한 성과를 거뒀다. 열분해 공정에 외부 열원을 공급하는 대신 공정 부산물을 연소시켜 자체 열원으로 활용함으로써 에너지 소비량을 줄이면서도 폴리스타이렌 처리 용량을 늘릴 수 있는 것으로 분석됐다.

공동 연구팀은 "폐폴리스타이렌 유래 화합물을 실제 수소 저장·방출 시스템에 적용한 것은 이번이 세계 최초"라며 "폐기물 재활용과 수소 에너지 저장 기술을 결합한 이 연구는 산업계와 정책 입안 과정에서 높은 활용도를 보일 것으로 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학 기술정보통신부와 한국연구재단의 중견 연구자 과제 및 집단 연구 ERC 과제 지원으로 수행됐으며 연구 결과는 8월 1일 ACS Catalysis 후면 표지 논문으로 게재됐다.