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Intro - 신소재공학과 박찬범 교수, 정연식 교수 공동연구팀, 새로운 열전소재-생체촉매 복합체와 폐열을 이용하여 화합물 합성 성공
- 새로 개발한 열전소재-생체촉매 복합체가 폐열을 화학에너지로 전환하는 현상에 주목하여 고부가가치 화학물질 합성에 성공
- 차량 주행시 발생하는 배기열을 전환하여 안정적인 보관과 운송이 가능한 에너지원으로 사용하는 등 향후 실용화 가능성 높여 
Principal Investigator Prof. Park, Chan Beum, Prof. Jung, Yeon Sik 
Date 2022-07-22 

사진 1. KAIST 신소재공학과 박찬범 교수.JPG  사진 2. KAIST 신소재공학과 정연식 교수.jpg  사진 3. KAIST 신소재공학과 윤재호 박사과정.jpg  사진 4. KAIST 신소재공학과 장한휘 박사과정.jpg

< (왼쪽부터) 신소재공학과 박찬범 교수, 정연식 교수, 윤재호 박사과정, 장한휘 박사과정 >

우리 대학 신소재공학과 박찬범 교수와 정연식 교수 공동 연구팀이 한밭대학교(총장 최병욱오민욱 교수팀과 네덜란드 델프트 공과대학교(TU Delft) 프랭크 홀만(Frank Hollmann) 교수팀과의 협력을 통해 상온용 *열전소재 기반 열전 촉매반응과 산화환원 효소반응을 접목해 폐열로 고부가가치 화학물질을 합성하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.

☞ 열전효과물질의 양단에 온도 차가 존재할 때 내부에 전위차가 생겨 전기가 발생하는 현상.

신소재공학과 윤재호장한휘 박사과정이 공동 제저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션즈 (Nature `Communications)' 6월 29일 에 게재됐다. (논문명Heat-fueled enzymatic cascade for selective oxyfunctionalization of hydrocarbons)

전 세계적으로 1차 에너지 소비를 기준으로 약 70%의 에너지가 사용되지 못한 채 폐열(Waste heat)로 사라진다열전(Thermoelectric)소재는 열을 직접 전기로 변환할 수 있는 소재로다양한 환경에서 버려지는 폐열을 회수하여 전기에너지로 변환하는 열전발전에 사용되는 등지속 가능한 에너지 물질로서 주목받고 있다.

그러나 우리가 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 낮은 온도의 열원에서 발생하는 저온 폐열은 열전소재를 이용해 충분한 발전 효율을 확보할 수 없어실 사용처가 매우 제한적이라는 한계점이 있었다. 

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전기 에너지가 아닌 화학 에너지에 주목했다화학 에너지는 전기 에너지보다 안정하여 보관과 운송이 간편하다는 장점이 있다.

연구팀은 상온용 열전소재인 비스무트 텔루라이드(Bismuth telluride)가 섭씨 100도 이하의 낮은 온도에서도 물과 산소로부터 과산화수소를 생성하며이러한 현상이 열전소재가 만들어내는 전위차에 비례한다는 것을 실험적으로 입증했다.

그림 1. 연구 모식도.png

< 그림 1. 열전효과에 의한 비스무트 텔루라이드의 과산화수소 생성 및 이에 의하여 활성화된 효소 반응 (왼쪽). 차량 주행 중 발생하는 배기열을 활용한 화학물질 합성 (오른쪽). >

연구팀은 더 나아가 저온 폐열을 사용하는 비스무트 텔루라이드의 열전 촉매반응을 생체촉매인 퍼옥시게나아제(Peroxygenase) 활성에 적용했다퍼옥시게나아제는 과산화수소를 이용해 유기합성에서 중요하게 여겨지는비활성 탄화수소의 선택적 옥시관능화(oxyfunctionalization)를 유도하여 고부가가치 화학원료로 쓰이는 반응성 산소화 화학종을 생성할 수 있는 효소이다연구팀은 열전소재가 과산화수소를 실시간으로 공급하도록 설계해 퍼옥시게나아제가 지속해서 탄화수소의 옥시관능화 반응을 수행하도록 만드는 데 성공했다.

연구팀은 그뿐만 아니라 차량의 대전 시내 주행 중에 발생하는 배기열을 활용해서 고부가가치 화학물질 합성에 성공해이번에 개발한 시스템의 실용화 가능성도 높였다.

연구팀은 "이번 연구는 폐열을 고부가가치 화학물질 생산에 이용할 수 있음을 처음으로 발견했다는 것에 의의가 있다ˮ, "열전소재의 반응 메커니즘을 더 자세하게 밝혀 성능을 높이고다양한 생체촉매와 접목 및 규모 확대를 통해산업적 파급력을 높일 계획ˮ이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원을 받아 수행됐다.