경희대학교(총장 한균태) 화학과 이제승, 임성열 교수 공동연구팀이 커피 찌꺼기를 재활용해 수소 연료전지에 사용할 수 있는 비금속, 탄소 기반 촉매 합성법을 개발했다. 연구는 ‘Durable N-doped carbon electrocatalysts derived from NH3-activated coffee waste for the oxygen reduction reaction’이란 제목의 논문으로 국제 학술지 <Journal of Electroanalytical Chemistry>(IF=4.598)에 게재됐다. 

환경 에너지 분야에 관심으로 버려지던 커피 찌꺼기의 활용 방안 고심
이번 연구는 막대한 양이 배출되는 커피 쓰레기의 활용 방안 연구이다. 한국인의 커피 사랑은 세계적으로도 높은 수준이다. 연간 커피 소비량이 세계 2위, 커피전문점 숫자는 세계 1위에 달한다. 커피 원두는 0.2%만 실제 커피 추출에 사용된다. 나머지는 폐기물이다. 활용 효율이 매우 낮고 커피를 뽑아내는 과정에서 많은 양의 커피 찌꺼기가 발생한다. 실제로 2019년에 국내에서 발생한 커피 찌꺼기의 양은 14만9천38톤에 달한다.(국회입법조사처 2020) 이렇게 배출된 커피 찌꺼기는 활용 방법이 충분치 않아 대부분 매립되거나 소각된다. 

커피 찌꺼기를 소각하면 338kg에 해당하는 이산화탄소 기체가 배출됨을 감안하면, 막대한 커피 소비는 탄소 중립을 목표로 하는 전 세계의 기후변화 대응에 걸림돌이 될 수도 있다. 이에 따라 커피 찌꺼기를 순환자원으로 인정해 퇴비, 사료, 바이오플라스틱 등 여러 방안으로 활용하려는 시도가 학계와 산업계에서 일부 이뤄지고 있다. 

백금(Pt)이 들어가지 않는 비금속, 탄소 기반 촉매는 가격 경쟁력 측면에서 수소 연료전지 촉매의 이상향으로 여겨진다. 하지만 전기화학적 촉매 활성이 낮고, 안정성이 개선점으로 지적된다. 보통은 인위적으로 합성된 탄소체를 주로 사용한다. 이제승, 임성열 교수 공동연구팀은 커피 찌꺼기를 단순 열처리하는 과정만을 통해 4만 번의 가속 안정성 테스트에도 수소 연료전지를 위한 산소 환원 활성이 유지되는 촉매를 개발했다. 

논문의 제1저자인 일반대학원 화학과 이현주 학생은 “커피 찌꺼기를 재활용한 이 촉매 합성법은 백금을 비롯한 어떤 금속도 포함하지 않고, 탄소 지지체 또한 찌꺼기에서 그대로 가져와 사용한다. 따라서 기존의 수소 연료전지 촉매에 비해 가격 경쟁력이 월등히 뛰어날 것으로 예상한다”라고 밝혔다. 기존의 연료전지용 촉매로 사용한 백금은 고가이고, 연료전지 운영 중 산화하는 경우도 많았다. 

연구팀은 개발한 촉매의 상용화를 위해 후속 연구도 진행 중이다. 합성 공정 과정의 추가 최적화와 산소 환원 반응에 대한 성능 향상 등이 해결할 문제이다. 임성열 교수는 “촉매를 이용해 전극을 제작하고 실제 수소 연료전지 단일 셀에서 실험해야 한다. 이로부터 실질적인 수소 연료전지 장치 개발이 목표다”라며 “커피 기반 촉매에서의 반응 메커니즘을 다양한 분광분석 기법을 활용해 분석해 비백금 촉매 제작 가이드라인을 제시하려 한다”라며 후속 연구를 소개했다. 

이제승 교수는 “커피 찌거기를 이용해 제조된 탄소는 흡착에 의한 이산화탄소의 포집에 이용할 수 있다. 이는 기후변화 대응에 필요한 효과적인 온실가스 감축 수단이 될 수 있다”라며 “안정하고 가벼운 수소 자동차용 수소 실린더의 충진재로의 활용도 기대된다. 커피 찌꺼기 외에도 다른 재활용 가능 폐기물을 선정해 연구 결과를 확장할 계획이다. 이미 대상 폐기물 1종을 선정해 커피 찌꺼기로부터 얻은 탄소에 버금가는 비표면적을 보이는 초기 실험 결과들을 얻고 있다”라고 밝혔다. 

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