수소는 미래의 녹색 연료가 될 수 있지만 현재 수소는 많은 CO2를 생성하는 과정에서 주로 화석 연료로 만들어진다. 그러나 새로운 기술은 직접적인 탄소 배출 없이 플라스틱 폐기물에서 수소 가스를 생성하는 동시에 부산물로 귀중한 그래핀을 생성한다.

배터리는 현재 운송 수단을 탈탄소화하는 주요 접근 방식이지만, 수소를 연료로 사용하는 것은 여전히 상당한 이점을 갖고 있다. 에너지 밀도가 훨씬 높아 수소 구동 차량의 주행 거리가 더 넓어지고, 수소 연료 보급은 배터리 재충전보다 훨씬 빠르다. 또한 쉽게 전기화 할 수 없고 장기간 에너지 저장에 유용할 수 있는 철강과 같은 중공업에 유망한 연료이기도 하다.

하지만 수소의 친환경 자격은 생산 방법에 크게 좌우된다. 물을 수소와 산소로 분리하기 위해 전기를 사용하는 것은 재생 가능 에너지로 구동된다면 지속 가능하다. 그러나 이 공정은 현재 매우 비싸며 오늘날 대부분의 수소는 대신 화석 연료의 메탄을 증기와 반응시켜 상당한 양의 CO2를 부산물로 생성함으로써 만들어진다.

라이스대학교 연구진이 개발한 유망한 새로운 공정은 CO2를 직접 배출하지 않고 플라스틱 폐기물에서 수소를 생성한다. 물론, 이 역시 재생에너지로 구동되어야 한다. 그러나 이 공정에서는 수소를 생산하는 것 외에도 상업 등급의 그래핀을 부산물로 생산하여 수소 생산 비용을 지불하기 위해 판매할 수 있다.

라이스대학에서 박사과정을 밟으며 연구를 주도한 케빈 위스(Kevin Wyss)는 “종류별로 분류하거나 세척할 필요가 없는 혼합 폐플라스틱을 포함한 폐플라스틱을 고수율 수소가스와 고부가가치 그래핀으로 전환했다”고 말했다. "만약 생산된 그래핀이 현재 시장 가치의 5%, 즉 95% 할인된 가격으로 판매된다면 깨끗한 수소는 무료로 생산될 수 있다."

새로운 공정은 라이스대학교 교수 제임스 투어(James Tour)의 연구실에서 개발된 플래시 줄 가열(flash joule Heating)이라는 기술을 사용한다. 여기에는 플라스틱을 색종이 조각 크기로 갈아서 전도성 물질과 혼합하고 튜브에 넣은 다음 매우 높은 전압을 통과시키는 과정이 포함된다. 이는 단 4초 만에 혼합물을 화씨 약 5,000도까지 가열하여 플라스틱의 탄소 원자가 그래핀으로 융합되고 휘발성 가스 혼합물을 방출한다.

연구소는 처음에는 폐플라스틱을 그래핀으로 전환하는 기술을 사용하는 데 중점을 두었고 투어는 이 공정을 상용화하기 위해 Universal Matter라는 스타트업을 설립했다. 그러나 증기 부산물의 구성을 분석한 결과, 팀은 그 안에 94%에 달하는 순도의 상당한 양의 수소 가스가 포함되어 있음을 깨달았다. 이번 연구 결과는 Advanced Materials 최근호에 게재됐다.

모든 플라스틱 탄소를 그래핀에 가두는 방식으로 CO2를 방출하지 않고 수소를 생산한다. 그리고 녹색 수소를 생산하는 다른 방법에 비해 경제성은 매우 매력적이다. 공급 원료는 폐기물이며, 현재 시장 가격의 일부라도 그래핀을 판매한다는 것은 본질적으로 수소가 무료로 생산된다는 것을 의미한다.

영국 크랜필드 대학교(Cranfield University)의 우풀 위자얀타(Upul Wijayantha)는 산업 규모에서 공정을 수행하는 것이 필연적으로 어려울 것이라고 뉴사이언티스트에 말했다. “우리는 실험실 규모를 넘어 대규모 플라스틱, 가스 혼합물 및 그래핀과 같은 부산물을 처리할 때 어떤 종류의 과제에 직면하게 될지 모른다.”고 그는 말한다.

그럼에도 불구하고 투어는 이 접근 방식이 상대적으로 빠르게 상용화될 수 있다고 낙관하고 있다. “확실히 5년 안에 수소 생성을 위한 소규모 배치가 가능해질 것이다.”고 그는 뉴사이언티스트에게 말했다. “10분 안에 대규모 배포가 가능하다.”

그가 옳다면 새로운 기술은 플라스틱 폐기물 처리와 친환경 연료 생산을 동시에 지원하는 일석이조의 효과를 가져올 수 있다.

이미지 제공: 플라스틱 폐기물로 형성된 플래시 그래핀의 적층 스택. (케빈 위스/투어랩)