버려진 목재로 고부가가치 화학물질 제조 '융합촉매' 기술개발

기사입력 : 2019년11월18일 17:14

최종수정 : 2019년11월18일 17:14

UNIST, 바이오매스 변환 촉매 시스템 개발
태양광·전기·생물촉매 활용 '리그닌' 분해

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 버려진 목재를 비롯한 식물 폐기물을 효과적으로 분해한 뒤 고부가가치 물질로 바꿀 수 있는 '융합촉매 시스템'이 개발됐다. 석유화학제품의 원료를 뽑아낼 새로운 친환경 기술로 주목받는다.

UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부의 장지욱·김용환·주상훈 교수팀은 폐목재 등에 많이 함유된 '리그닌(lignin)'을 태양광 에너지를 이용해 고부가가치 화합물로 바꿀 '광·전기·생물촉매 시스템(융합촉매 시스템)'을 개발했다고 18일 밝혔다.

연구결과((논문명 "Unassisted solar lignin valorisation using a compartmented photo-electro-biochemical cell")는 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 이달 12일자 최신호에 게재됐다.

이번 연구는 세 가지 촉매가 서로 연결돼 작동하면서 추가 전압이나 시약 없이도 리그닌을 연속적으로 분해한다는 게 큰 장점이다. 태양광 에너지에서 전기를 얻고(광촉매), 이 전기로 과산화수소를 생산하며(전기촉매), 과산화수소가 리그닌을 분해하는 생물촉매를 활성화 시키는 원리이다.

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 리그닌 해중합을 위한 광촉매, 전기촉매, 생물촉매 복합화 3분할 시스템 모식도: 가장 왼쪽에 있는 광촉매가 태양광 에너지를 받아 정공(h+)과 전자(e-)를 생성한다. 이때 광촉매 표면으로 이동한 정공(h+)이 물을 산화시켜 산소를 발생시키며, 전자(e-)는 중간에 있는 전기촉매로 이동해 산소를 환원시켜 과산화수소를 생성한다. 생성된 과산화수소는 셀룰로오스 막을 투과해 가장 오른쪽에 있는 생물촉매를 활성화킨다. 활성화된 생물촉매는 리그닌을 해중합해 고부가가치 화합물로 변환한다. 광촉매, 전기촉매, 생물촉매에 의한 각 반응은 나피온(Nafion) 막과 셀룰로오스(Cellulose) 막으로 분리된 독립적인 공간에서 일어난다. [그림=UNIST] 2019.11.18 kimys@newspim.com

리그닌(lignin)은 침엽수나 활엽수 등의 목질부를 구성하는 다양한 구성성분 중에서 지용성 페놀 고분자를 의미한다. 방향족을 단위체로 가지며, 셀룰로오스(Cellulose)와 달리 규칙성이 없고 복잡한 구조를 가져 쉽게 분해할 수 없다.

리그닌을 비롯한 바이오매스(Biomass)는 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 늘리지 않으면서도 화석연료나 석유 화합물을 대체할 수 있는, 자연에서 가장 풍부한 탄소 물질이다.

특히 리그닌은 고부가가치의 유기 화합물을 생산할 원료로 주목받지만, 구조가 매우 복잡하고 불규칙해 분해와 변환이 까다롭다. 리그닌 분해에는 효소 같은 생물촉매를 써야 하는데 이 경우 일정한 농도의 과산화수소가 중요하다. 과산화수소는 생물촉매를 활성화하기 때문에 반드시 투입해야 하지만, 너무 많으면 오히려 촉매반응을 방해하기 때문이다.

이에 연구진은 리그닌 분해와 변환에 뒤따르는 문제를 세 가지 촉매를 융합해 해결했다. 태양광을 받아 전기를 만드는 '광촉매'와 전기를 받아 과산화수소를 합성하는 '전기촉매', 과산화수소를 이용해 리그닌을 분해하는 '생물촉매(효소)'를 연결한 것이다.

세 가지 촉매는 중간막으로 분리된 3분할 반응기 내에서 순차적 반응을 일으켜 최종적으로 리그닌을 분해한다. 특히, 위 분할 시스템에서는 중간막이 생물촉매를 반응 저해요소로부터 완벽하게 보호한다. 또 과산화수소는 만들어지는 족족 생물촉매에 의해 사용되므로 과산화수소 농도가 일정하게 유지돼 리그닌 분해가 안정적으로 진행된다.

장지욱 교수는 "추가 전압이나 시약 없이 태양광 에너지만 이용해 리그닌을 선택적으로 전환할 수 있는 시스템을 최초로 선보였다"며 "이 시스템을 통해 리그닌을 바닐린(Vanilin, C₈H₈O₃)이나 바이오 고분자 등 각종 화학제품에 필요한 고부가가치 화학물질로 바꿀 수 있다"고 설명했다.

김용환 교수는 "이번 연구를 통해 친환경적인 방법으로 폐목재 같은 바이오매스를 방향족 석유화학제품으로 전환할 새로운 가능성을 제시했다는 점에서 그 의의가 크다"고 강조했다.

kimys@newspim.com

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