리그닌 기반 탄소 촉매 합성 과정을 모식적으로 나타낸 개략도
의료용 소독제부터 반도체 세정, 수처리까지 산업 전반에 필수적인 과산화수소를 버려지는 나무 부산물인 ‘리그닌’을 활용해 저비용·친환경적으로 생산할 수 있는 기술이 개발되어 주목된다.
한국과학기술연구원(KIST) RAMP융합연구단 이영준 박사 연구팀은 한양대학교 윤홍석 교수, 부산대학교 강준희 교수 연구팀과 공동연구를 통해, 목재 산업 폐기물인 리그닌을 활용해 전기화학적으로 과산화수소를 선택적 생성할 수 있는 탄소 기반 촉매를 설계하고 95% 이상의 높은 효율을 달성했다고 밝혔다.
과산화수소는 반응 후 물과 산소로 분해되는 특성 덕분에 환경 부담이 적은 친환경 산화제로 꼽히지만, 현재의 생산 방식은 고온·고압의 에너지가 소요되는 대규모 설비에 의존하고 있다. 또한, 생산된 과산화수소는 운송과 저장 과정에서 폭발 위험 등 안전 관리 부담과 높은 비용이 발생하는 단점이 있었다.
리그닌 기반 탄소 촉매의 H 셀 전기화학 반응 시스템 및 과산화수소 생산 성능 비교를 나타낸 개략도
이를 해결하기 위해 최근 전기를 이용해 현장에서 물과 산소로부터 직접 과산화수소를 생산하는 기술이 연구되고 있으나, 반응 효율을 결정하는 촉매가 귀금속 기반이어서 가격이 비싸고 효율이 낮다는 점이 상용화의 걸림돌이었다.
연구팀은 목재와 종이 산업에서 대량으로 발생하지만 대부분 소각 처리되는 ‘리그닌(Lignin)’에 주목했다. 리그닌을 열처리하여 탄소 소재로 전환하고, 촉매 표면의 미세 화학 구조를 정밀하게 제어하는 전략을 세웠다.
이번 연구의 핵심은 촉매 표면의 ‘산소 작용기’ 조절에 있다. 연구팀은 특정 산소 작용기가 과산화수소 생성 반응의 선택성과 효율에 결정적인 영향을 미친다는 점을 확인하고, 불필요한 반응 경로를 억제하기 위해 특정 작용기를 선택적으로 차단하는 실험을 진행했다.
탄화 온도에 따른 리그닌 기반 탄소 촉매의 산소 작용기 분포와 전기화학적 성능 비교
그 결과, 새롭게 개발된 리그닌 기반 탄소 촉매는 기존 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 수준인 95% 이상의 높은 선택도를 보였다. 이는 버려지는 바이오매스를 고부가가치 기능성 소재로 전환함과 동시에, 저비용으로 고효율 과산화수소를 생산할 수 있는 기반을 마련한 것이다.
이번 기술이 상용화될 경우, 수요처에서 직접 과산화수소를 생산하는 ‘온사이트(on-site) 생산 시스템’ 구축이 가능해진다. 이는 물류비용 절감은 물론, 반도체 공정이나 수처리 시설 등 대량의 과산화수소를 상시 사용하는 산업 현장에서 안전성과 경제성을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다.
KIST 이영준 선임연구원은 “버려지는 나무 부산물을 활용해 친환경 소독제인 과산화수소를 효율적으로 생산할 수 있는 기술적 토대를 마련했다는 데 의의가 있다”며 “향후 촉매 성능을 더욱 고도화해 실제 산업 현장에 적용 가능한 분산형 화학물질 생산 기술로 발전시킬 계획”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행되었으며, 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’ 최신 호에 게재되었다.
기계신문, 기계산업 뉴스채널
댓글
0