KIST-한양대-부산대, 나무 부산물 리그닌 활용
탄소 기반 촉매 설계 및 과산화수소 생산 성공
KIST와 한양대, 부산대 연구진이 공동으로 목재 산업에서 버려지는 나무 부산물인 리그닌을 활용해 고효율 탄소 촉매를 개발하고 과산화수소를 생산하는데 성공했다.[이미지=KIST]
전 세계적으로 매년 수천만톤 이상 생산되는 필수 화학물질인 과산화수소를 버려진 나무로부터 만드는 새로운 기술이 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)은 이영준 RAMP융합연구단 연구팀이 한양대학교 윤홍석 교수, 부산대학교 강준희 교수 연구팀과 함께 목재 산업에서 버려지는 나무 부산물인 리그닌을 활용해 고효율 탄소 촉매를 개발하고 과산화수소를 생산하는데 성공했다고 1일 밝혔다.
과산화수소는 의료용 소독제부터 반도체 공정, 수처리까지 폭넓게 쓰이지만 에너지 집약적인 대규모 설비에 의존해 생산되고 운송·저장 과정에서도 높은 비용과 안전 관리 부담이 따른다. 이에 전기를 이용해 물과 산소로부터 과산화수소를 직접 생산하는 친환경 기술이 주목받고 있으나, 반응 효율을 좌우하는 촉매의 성능과 비용 문제가 상용화의 핵심 과제로 남아 있다.
연구진은 리그닌을 활용해 전기화학 반응에서 과산화수소를 선택적으로 생성할 수 있는 탄소 기반 촉매를 설계·개발하고, 실험을 통해 95% 이상의 높은 선택도로 과산화수소를 생산하는 데 성공했다. 연구진은 "이는 기존에 널리 사용되던 귀금속 기반 촉매를 대체할 수 있는 수준의 성능으로, 저비용·고효율을 동시에 달성했다는 점에서 의미가 크다"고 설명했다.
연구진에 따르면 이번 연구에서는 단순히 바이오매스를 탄소 소재로 전환하는 데 그치지 않고, 촉매 표면의 미세한 화학 구조를 정밀하게 제어하는 전략이 적용됐다. 연구진은 촉매 표면에 존재하는 다양한 산소 작용기의 종류와 분포가 과산화수소 생성 반응의 선택성과 효율에 결정적인 영향을 미친다는 점에 주목했다. 이를 검증하기 위해 작용기의 구조를 단계적으로 조절하고, 특정 작용기를 선택적으로 제거하는 실험을 수행했으며, 그 결과 불필요한 반응 경로를 억제하고 과산화수소 생성 반응을 더욱 강화할 수 있음을 확인했다.
연구진은 이번 성과에 대해 버려지는 바이오매스를 고부가가치 기능성 소재로 전환함과 동시에, 에너지 효율이 높은 분산형 화학물질 생산 기술로의 전환 가능성을 보여준다고 강조했다. 특히 현장에서 필요한 만큼 과산화수소를 직접 생산하는 ‘온사이트(on-site) 생산 시스템’ 구축에도 기여할 수 있어, 수처리·소독·반도체 공정 등 다양한 산업 분야에서 비용 절감과 안전성 향상에 기여할 것으로 기대했다.
이영준 선임연구원은 "버려지는 나무 부산물을 활용해 친환경 소독제인 과산화수소를 효율적으로 생산할 수 있는 기술을 제시했다는 점에서 의미가 있다"며 "앞으로 촉매 성능을 더욱 고도화해 다양한 산업 현장에 적용할 계획"이라고 말했다.
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