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아주대학교 공동 연구팀이 도시가스나 천연가스의 주요 구성 성분인 메탄을 사용해 수소와 탄소를 생산할 수 있는 촉매 반응 기술을 개발해냈다. 이에 친환경·저비용의 수소 연료와 고순도·고부가가치의 탄소를 동시에 대량 생산할 수 있는 첨단 에너지 기술로 활용될 수 있을 전망이다.서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)와 김유권 교수(화학과·대학원 에너지시스템학과) 공동 연구팀은 액상합금촉매와 지르코니아 입자가 주입된 수직 기포 반응기를 이용하여 메탄 직접 전환 수소 기체·고체 탄소 생산 기술을 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘지르코니아 입자와 융용 액상 합금을 이용한 기포 컬럼 반응기를 통한 메탄으로 부터의 이산화탄소 무배출 수소 생산 효율 증대(Enhanced Efficiency in CO2-free Hydrogen Production from Methane in a Molten Liquid Alloy Bubble Column Reactor with Zirconia Beads)’라는 논문으로 화학공학 분야 국제 학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF=13.273> 7월7일자 온라인판에 게재됐다. 공동 제1저자로 아주대 대학원 박사과정의 이영재 학생과 노용규 박사가 참여했고 박사과정 김진아 학생, 샨카라 칼라뉴르(Shankara Kalanur) 교수도 함께 했다. 수소는 연료로 사용된 후 물이 배출되는 대표적 청정 연료원으로, 최근 차세대 에너지 연료원으로 주목받으며 산업 전반에서 활용 영역을 넓혀가고 있다. 연료로서의 수소를 대량 생산하기 위해서는 화석 연료를 개질(reforming)하는 방식이 주로 사용되고 있는데, 이 과정에서 수소 생산 중량의 9배가 넘는 이산화탄소(CO2)도 같이 배출된다. 이러한 이유로 대표적 온실가스인 이산화탄소의 배출을 줄이기 위해 전기나 태양광을 이용하는 광·전기 화학적 물 분해 기술에 대한 연구가 최근 활발히 이루어져 왔다. 그러나 생산 단가가 기존의 화석 연료 개질 방식에 비해 5~6배 이상 높고, 대량 생산이 어렵다는 점에서 한계를 보여왔다. 이에 완전한 청정연료로서의 수소 에너지를 이용해 ‘수소 경제’를 달성하기 위해서는 저렴하되 이산화탄소는 배출하지 않는 대량 수소 생산 기술의 개발이 시급하다. 아주대 연구팀은 도시가스와 천연가스의 주성분인 메탄가스(CH4)를 주목했다. 메탄가스를 고체 촉매를 사용해 1000℃ 이상의 고온에서 열분해하면, 기체 형태의 수소와 고체 형태의 탄소를 생성물로 얻을 수 있다. 그러나 이러한 방식으로 생산한 고체 탄소의 경우, 비활성화 문제가 있어 상용화가 어렵다는 한계를 보여왔다. 고체 탄소가 촉매 표면에 쌓이면서 궁극적으로 표면에서의 메탄가스 화학 반응을 막고, 이로 인해 반응 활성이 급격히 사라져버리기 때문. 이러한 한계점을 극복하고자 최근 학계에서는 녹는점이 낮은 액상합금촉매(녹는점이 낮은 주석 등의 저융점 금속과 촉매 활성이 높은 고융점 니켈 등의 금속을 혼합한 액상의 금속촉매)를 이용하는 방법이 주목을 받아왔다. 용융된 액상합금 내부로 메탄가스를 주입해 수소가스를 발생시키고 동시에 액상 촉매 표면에 탄소층이 밀도 차이로 부유, 반응도 지속시키고 고체 탄소도 얻는 ‘용융촉매 메탄 직접 전환 기술’이다.공동 연구팀은 ‘용융촉매 메탄 직접 전환 기술’을 기반으로 한 새로운 방식을 개발해냈다. 액상 촉매를 이용한 메탄 분해 반응에서 메탄가스가 액상 촉매 내부에서 체류하는 시간과 메탄가스의 버블 사이즈를 감소시킴으로써 메탄가스와 액상 촉매 경계의 표면적을 극대화하는 것이 반응 효율 향상에 중요한 인자임을 규명하기 위해 기존과 다른 방식을 도입한 것. 연구팀은 반응기 내부 액상 촉매에 추가적으로 지르코니아 지르코니아(지르코늄과 산소의 화합물(ZrO2). 녹는점이 높고 잘 부식되지 않으며 상온에서는 흰색 결정으로 나타남) 입자를 혼입해 메탄 버블 크기를 최소화하고 가스 유로를 복잡하게 해 기체 체류 시간을 증가시키는 방식의 새로운 반응기 구조를 개발하는 데 성공했다. 새로운 반응기 구조를 도입한 결과, 연구팀은 높은 수소 전환율과 뛰어난 반응 내구성을 확인할 수 있었다. 기존의 온도(1000℃ 이상) 보다 낮은 985℃의 약 37% 메탄에서 수소 전환율을 달성했고, 150시간 이상의 장시간 생산에도 촉매의 활성이 오히려 증가한 것. 일반적으로 1000℃ 이하의 메탄 열분해 반응에서는 반응기 재질에 따른 비용이나 열에너지 비용을 줄일 수 있는 이점이 있지만 전환율이 급격히 저하된다는 문제점이 있었는데, 아주대 연구팀은 이를 극복하고 저온에서 최고 수준의 전환율과 연속 반응 기록을 달성해냈다. 연구팀이 새로운 방법으로 얻은 탄소는 고순도·고부가가치의 탄소 형태(나노 튜브 및 섬유 가닥)를 보였다. 이러한 고순도·고부가가치의 탄소는 배터리 혹은 연료전지 소재로 활용될 수 있다. 수소의 친환경적 대량 생산뿐 아니라, 활용성이 넓은 탄소 소재까지 생산할 수 있는 가능성을 제시한 것.서형탁 교수는 “이산화탄소 배출 규제 강화 움직임에 따라 기존 화석연료 기반의 수소 생산 방식의 경우 비용 상승이 불가피하다”며 “환경친화적이며 비용이 적게 드는 새로운 수소 대량 생산의 길을 열었다는 점에서 이번 연구에 의미가 있다”고 진단했다.서 교수는 이어 “특히 수소와 동시에 얻을 수 있는 탄소를 고순도·고부가가치 형태로 연속적으로 얻게 되면 탁월한 경제성을 확보할 수 있다는 점에서, 앞으로 실용화를 목표로 연구를 이어갈 예정”이라고 말했다. 한편 이번 연구는 산업자원통상자원부·한국산업기술평가관리원 주관 산업기술알키미스트프로젝트와 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 C1가스리파이너리사업지원으로 수행됐다. 용융 액상 합금 촉매를 이용한 메탄 직접 분해에 의한 수소 및 탄소 생산 개념도: 메탄을 액상합금촉매와 지르코니아가 혼입되어 있는 반응기에 주입하고 열을 가하면 고순도 수소가 액상 촉매 내부에서 형성되고 동시에 탄소 파이버가 만들어진다. 탄소 파이버는 밀도가 가장 낮기 때문에 표면에 부유하므로 촉매 반응성에는 이상이 없고 장시간 연속 수소 및 탄소 생산이 가능하다. *맨위 사진 설명 : 사진 왼쪽부터 서형탁 교수, 이영재 박사과정 학생, 김진아 박사과정 학생, 김유권 교수
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- 작성자서정원
- 작성일2021-08-18
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- 작성자서정원
- 작성일2021-07-30
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아주대 연구팀이 실크 단백질 나노섬유를 활용해 터치로 전기를 생산하는 전자 피부를 구현해냈다. 이에 인체의 피부나 소프트 로봇에 부착해 움직임으로부터 전기 에너지를 생산하거나 감각기관으로 활용할 수 있는 차세대 바이오 전자 소자로 활용될 수 있을 것으로 보인다.우리 학교 김성환 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)는 실크 단백질 나노섬유 위에 탄소나노섬유 잉크로 회로를 그려 넣은 전자문신을 개발, 이를 마찰전기 수확 소자로 동작시키는 데 성공했다고 밝혔다. 실크 단백질은 누에고치에서 나온 생체친화적 소재다. 이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 최고 권위지 중 하나인 <어드밴스드 에너지 머트리얼즈 (Advanced Energy Materials, Impact Factor 25.245)> 6월11일자에 온라인 게재됐다. 논문 제목은 ‘인간-기계 인터페이스를 위한 실크 단백질과 탄소 나노튜브에 기반을 둔 자가 발전, 무지각 전자문신(Self-powered and imperceptible electronic tattoos based on silk protein nanofiber and carbon nanotubes for human-machine interfaces)’이다. 이번 연구에는 제1저자로 우리 대학 나렌다 고굴라(Narendar Gogurla) BK 연구 조교수가, 교신저자로 김성환 교수가 참여했다. 최근 전 세계적으로 인체의 피부에 부착할 수 있는 차세대 헬스케어용 전자 소자에 대한 연구가 매우 활발하다. 그 중에서도 흔히 발생하는 마찰·정전기 현상을 에너지원으로 삼는 마찰전기 수확 소자는 인체의 평소 움직임을 전기 에너지로 전환할 수 있다는 점에서 더욱 많은 관심을 받고 있다. 마찰전기 수확 소자는 헬스케어 소자의 동작을 위한 에너지원으로, 더 나아가 인체 움직임의 정보를 전달하는 인공 촉각 기관으로 응용할 수 있다. 그러나 높은 에너지 효율을 위해 소자와 궁합이 잘 맞는 소재를 사용해야 한다는 점(예: 머리카락과 플라스틱이 가장 좋은 정전기를 발생시킴)이 인체 피부에 직접 접촉, 전기 에너지를 생산하는 데 있어 걸림돌이 되어 왔다. 더불어 피부의 굴곡에 상관없이 소자가 피부에 부착 되어야 하고, 구성 성분도 인체에 무해한 것으로 구성해야 한다는 점이 마찰전기 수확 소자 관련 연구의 난관으로 여겨져 왔다. 이에 김성환 교수 연구팀은 천연 실크 단백질에 주목했다. 누에고치에서 나온 실크 단백질은 생체친화적이고 물리적·화학적 물성이 우수해 활용 가능성이 높은 바이오 고분자 소재다.연구진은 먼저 전기방사 방법을 활용하여 인간 머리카락 50분의 1 두께인 실크 나노섬유 종이를 제작했다. 여기에 탄소 나노섬유 잉크를 활용, 붓으로 실크 나노섬유 종이에 원하는 모양의 회로를 그려 넣고, 다시 실크 나노섬유 종이를 덮어 문신 스티커를 완성하였다. 이를 물을 살짝 묻힌 피부에 올려놓기만 하면 전자문신을 형성하는 것이 가능하다. 이렇게 만든 전자문신은 두께가 매우 얇아 손의 지문과 같이 촘촘하게 주름진 표면에도 올릴 수 있으며, 샤워를 제외한 여타 일상 생활 속에서도 안정적으로 전기적 특성을 유지할 수 있다. 전자문신의 사용을 마치면 물티슈 등으로 가볍게 닦아내면 되기에 관리도 쉽다. 탄소 나노섬유에서 기인할 수 있는 유해성은 전자문신 중간에 삽입된 실크 나노섬유가 차단해 준다. 피부에 부착한 전자문신은 흥미롭게도 피부 터치에 가장 좋은 효율을 보여주었다. 이는 정전 효율을 위해 라텍스 장갑 등 다른 이물질을 착용하지 않아도 됨을 의미한다. 이렇게 수확된 전기 에너지는 LED나 스탑워치 등 소형 기기를 구동하기에 충분했다. 터치로 전기 신호를 발생시킬 수 있다는 것은 인공 촉각 기관으로도 활용 가능함을 의미한다. 아주대 연구팀은 피부에 픽셀 문신을 구현, 손가락 터치로 그린 글씨가 전기 신호로 전환되어 전달될 수 있음을 성공적으로 보여주었다. 김성환 교수는 “인체 피부에 전자회로를 집적하려는 연구는 많은 진전을 이루어 왔지만 생체 적합성 및 생체 조직과의 인터페이스 문제는 상대적으로 간과되어 온 측면이 있다”며 “실크 단백질과 같은 생체 물질 단백질을 활용하면 생체 조직과 전자 소자의 상이한 물성 차이를 극복할 인터페이스를 제공할 수 있다”고 말했다.김 교수는 이어 “이번에 개발한 소재 기술은 천연 바이오 소재들이 생명체 및 인공 생명체를 위한 전자 소자 구현에 적용될 수 있음을 보여줬다는 데 의의가 있다”며 “앞으로 다양한 헬스케어 소자와 소프트 로보틱스 분야에 적용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 농촌진흥청 주관 농업정책지원기술개발 사업, 한국연구재단 주관 중견연구자지원사업, BK21 Four 사업과 경기도 주관 지역협력연구센터사업(GRRC)의 지원으로 수행되었다. [그림 설명] (좌)실크 마찰전기 전자문신 개념도. 생체적합한 전자문신으로 피부 터치로 전기 에너지를 모을 수 있다. (우)인공 촉각기관 실험. 피부 위 픽셀을 구현하여 터치로 그린 글씨 정보가 전기 신호로 전달될 수 있음을 보여준다.
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- 작성일2021-07-23
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코로나19 치료제 후보 물질을 연구 개발하고 있는 아주대학교 연구팀이 코로나19 바이러스 억제에 효과를 보이는 항바이러스 약물을 조사해 그 결과를 발표했다. 아주대 최상돈 교수(생명과학과·대학원 분자과학기술학과, 사진)와 김문석 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과), ㈜에스앤케이테라퓨틱스 공동 연구팀은 미국식품의약국(FDA)이 승인한 항바이러스제를 조사해 그 중 렘데시비르(Remdesivir)와 레디파스비르(Ledipasvir)가 코로나19에 항바이러스 작용이 있음을 입증해냈다고 밝혔다. ㈜에스앤케이테라퓨틱스는 최상돈 아주대 교수가 설립한 희귀 면역 질환 치료제 개발사다.해당 내용은 ‘FDA 승인 항바이러스 약물 중 Remdesivir와 Ledipasvir의 SARS-CoV-2 증식 억제 작용(Remdesivir and Ledipasvir among the FDA-Approved Antiviral Drugs Have Potential to Inhibit SARS-CoV-2 Replication)’이라는 논문으로 국제 저널 <셀즈(Cells)>에 지난 4월 게재됐다. 코로나19 바이러스는 RNA 바이러스 중에서도 비교적 큰 바이러스게놈을 갖는 양성 가닥 RNA 바이러스다. 게놈(genome)은 개체의 모든 유전자와 유전자가 아닌 부문을 모두 포함한 염기서열로, 한 생물종의 완전한 유전 정보의 총합이다. 코로나19 바이러스의 게놈 RNA는 뉴클리오캡시드 단백질로 커버되어 있고, 폴리아데닐화(polyadenylation)되어 있으며, 외피에 스파이크(spike) 당단백질을 갖는다. 현재 개발된 코로나19 백신들은 모두 이 스파이크 당단백질을 타깃으로 하고 있다.아주대 연구팀은 신종 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)가 숙주 세포 에 들어가 바이러스 게놈의 전사 및 복제에 중요한 역할을 하는 RNA 의존성 RNA 중합 효소(RdRp; RNA-dependent RNA polymerase) 복합체의 억제 물질 개발을 진행 중이다. RNA 의존성 RNA 중합 효소(RdRp)는 변형되는 확률이 매우 낮아서 RNA 바이러스 복제를 제어하기 위한 가장 적합한 표적 중 하나다.연구팀은 우선 전 세계적인 코로나19의 급속한 확산과 사망자 수 증가에 최대한 신속하게 대응하기 위해 미국식품의약국(FDA)이 승인한 항바이러스제 가운데, 코로나19 바이러스 활성을 조사했다.아주대·㈜에스앤케이테라퓨틱스 연구팀은 컴퓨터 가상 스크리닝을 통해 미국식품의약국(FDA)이 승인한 수백 개의 항바이러스 약물을 우선 인실리코(in silico) 스크리닝 했다. 인실리코 스크리닝은 컴퓨터 또는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수행되는 탐색기술이다. 연구팀은 약물과 RdRp의 분자역학 시뮬레이션을 거쳐 가능성 있는 약물을 1차 선별하고 베로 E6(Vero E6) 세포에서 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)에 대한 약물의 항바이러스 활성을 평가했다. 그 결과 렘데시비르(Remdesivir)와 레디파스비르(Ledipasvir)가 코로나 바이러스에 항바이러스 작용을 함을 입증해 낸 것. 베로 E6세포는 1962년 아프리카 녹색원숭이 신장의 상피세포에서 분리 및 개발된 세포주로, 바이러스 감염 연구에 활용되고 있다. 조류인플루엔자 바이러스 백신, 로타바이러스 백신, 폴리오 백신, 공수병 백신 등이 베로 세포를 이용하여 생산되고 있다.최상돈 교수는 “코로나 바이러스는 주기적으로 변종이 나오고 있어 문제”라며 “장기적으로 코로나 바이러스 증식 자체를 억제하는 약물의 개발이 필요하다”고 진단했다. 최 교수는 이어 “이번 연구를 통해 코로나19의 치료에 있어, 직접 작용하는 약물을 단독으로 혹은 조합하여 사용할 수 있음을 알게 되었다는 데 의의가 있다”라고 덧붙였다. 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)에 대한 약물 후보의 항 바이러스 활성 평가. (a-c) 오른쪽 세로축은 세포 생존력을 나타내고 왼쪽 세로축은 SARS-CoV-2에 대한 항 바이러스 활성을 나타냄.
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- 작성자서정원
- 작성일2021-06-21
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서형탁 교수 연구팀이 수소 연료 생산을 위한 물 분해 광전극을 단일 소재를 이용해 개발하는 데 성공했다. 무공해 방식으로 수소 연료를 생산할 수 있는 저비용 고효율 광전극으로 활용될 수 있을 것으로 보인다. 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽)는 단일 소재 기반의 고효율 태양광 물 분해 신소재 광전극을 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘이상적인 도핑과 일함수 조절을 통한 {002}면으로 정렬된 1차원 텅스텐 산화물의 태양광 물 분해 개선 효과(Enhanced solar water splitting of an ideally doped and work function tuned {002} oriented one-dimensional WO3 with nanoscale surface charge mapping insights)’라는 논문으로 촉매 분야 국제 학술지 <어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈’(Applied Catalysis B: Environmental), IF=16.683> 5월6일자 온라인판에 게재됐다. 우리 학교 칼라누르 샨카라(Shankara Kalanur) 교수(신소재공학과, 사진 왼쪽)가 제1저자로 함께 참여했다.수소는 연료로 사용된 후 물이 배출되는 대표적인 청정 연료원으로, 최근 차세대 에너지 연료원으로 주목받으며 산업 전반에서 활용 영역을 확장하고 있다. 연료로서의 수소를 생산하기 위해서는 화석 연료를 개질(reforming)하는 방식이 주로 사용되고 있는데, 이 과정에서 수소 생산 중량의 9배가 넘는 이산화탄소(CO2)도 같이 배출된다. 때문에 대표적 온실가스인 이산화탄소 같은 공해 물질의 배출을 줄이기 위해 전기나 태양광을 이용하는 광·전기 화학적 물 분해 기술에 대한 연구가 최근 활발히 이루어지고 있다. 태양광이 반도체 광전극에 입사할 때 생성된 전하를 이용하여 물을 분해하는 방식으로, 이 방법은 이산화탄소 배출이 없는 청정 수소 생산 방식이다. 그러나 기존 화석연료 개질 방식에 비해 매우 낮은 생산 효율이 그동안 한계점으로 인식되어 왔다. 이러한 낮은 생산 효율을 극복하기 위해서는 태양광 물 분해 시스템에서 가장 핵심적인 역할을 하는 광전극의 광 반응 특성을 향상 시키고, 장기 반응 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 최근 단일 소재 광전극으로는 이러한 기술적 향상을 이루는 데 한계가 있는 것으로 판명되어, 여러 소재를 적층하여 광전극을 형성하는 ‘탠덤’ 구조에 대한 연구가 많이 이루어져 왔다. 그러나 탠덤 구조를 이용하는 경우 공정이 복잡해져 광전극의 특성 재현성이 현저히 낮아지고 이종 소재 간 화학적 불안정성을 보이기도 하는 등 여러 문제가 발생해 왔다. 서형탁 교수팀은 기존에 널리 연구되어 왔으나 효율 향상 한계에 봉착했던 텅스텐 산화물(WO3) 광전극에 주목했다. 서 교수팀은 다른 소재를 추가한 이종 적층 구조를 쓰지 않고 단일 소재에 소량(1.14%)의 이트리움(Y)을 ‘도핑’할 경우 1차원 텅스텐 산화물 나노로드의 결정 방향이 광화학적으로 활성이 높은 {002}면에 대하여 정렬된다는 점을 발견해 냈다. 연구진은 최적 도핑 농도 및 공정 확보를 위해 수십 가지 경우의 불순물 농도를 검증, 최적 조건을 찾아냈다. 연구팀은 최적 조건으로 이트리움(Y)이 도핑된 텅스텐 산화물(WO3)에서 광전류가 200% 가량 대폭 향상되며, 촉매에 흡수된 빛에 의한 광전류의 수소 전환 효율은 95%에 이른다는 점을 확인했다. 그 밖에도 극소량의 도핑으로도 저항 감소, 전자구조 변화, 표면일함수 변화 등 다양한 물리·화학적 특성이 달라질 수 있음을 확인했다. 서형탁 교수는 “저가의 텅스텐 산화물에 극소량의 불순물 도핑을 통해 고효율 단일소재 기반의 나노구조 광전극 제조에 성공한 사례”라며 “이를 통해 최고 수준의 전환 효율로 수소를 생산할 수 있음을 확인했고, 앞으로 안정성을 더욱 개선해 실용화를 목표로 연구를 이어 가겠다”고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 기초연구지원사업(기본)의 지원과 해외우수신진인력지원사업의 지원으로 수행됐다.
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52
- 작성자서정원
- 작성일2021-06-16
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