버려지던 목재폐기물, 태양빛만으로 '돈 되는' 화합물로 둔갑

2019.11.18 12:02
버려지는 폐목재로 유용 화학물질을 생산하는 새로운 촉매 시스템을 개발한 UNIST 연구팀이 모였다. 왼쪽위 부터 시계방향으로 주상훈 교수, 김용환 교수, 장지욱 교수, 고묘화 연구원이다. UNIST 제공
버려지는 폐목재로 유용 화학물질을 생산하는 새로운 촉매 시스템을 개발한 UNIST 연구팀이 모였다. 왼쪽위 부터 시계방향으로 주상훈 교수, 김용환 교수, 장지욱 교수, 고묘화 연구원이다. UNIST 제공

버려지는 목재로 유용한 고부가가치 화학물질을 만드는 기술이 개발됐다. 석유화학제품 사용량을 줄이는 데 도움이 될 것으로 기대된다.


울산과학기술원(UNIST)은 장지욱, 김용환, 주상훈 에너지및화학공학부 교수와 사영진, 고묘화, 르땅마이팜 연구원팀이 버려지는 목재에 많이 함유된 물질인 ‘리그닌’을 태양광 에너지로 고부가가치 화합물로 바꾸는 융합촉매 시스템을 개발했다고 18일 발표했다.


리그닌은 폐목재에 풍부하게 들어있는 유기화합물로, 이를 이용하면 석유나 석탄 등 화석연료를 사용하지 않으면서도 필요한 유기화학물을 생산할 수 있을 것으로 주목 받고 있다. 하지만 리그닌은 구조가 복잡하고 불규칙해 분해와 변환하기 까다롭다는 단점이 있었다. 특히 이 과정에는 주로 효소 등 생물 촉매를 쓰는데, 촉매 활성화를 위해 투입하는 물질(과산화수소)의 양을 일정한 양으로 정교하게 조절해야 하는 방법이 중요하다. 현재는 ‘안트라퀴논 공정법’이라는 기술로 이 과정을 처리하는데, 고압의 수소와 값비싼 귀금속인 촉매가 필요해 효소와 함께 사용하기에 적합하지 않았다.


연구팀은 3가지 촉매를 연속적으로 활용해 이 과정을 정교하게 제어하는 데 성공했다. 먼저 태양광을 받아 전기를 생산하는 광촉매를 만든 뒤, 전기촉매를 이용해 이렇게 생산된 전기로 과산화수소를 합성했다. 마지막으로 이 과산화수소를 이용해 효소로 리그닌을 분해했다.


연구팀은 두 가지 고분자 저해질 분리막을 이용해 가운데를 3칸으로 구분한 3분할 반응기를 만들어 세 가지 촉매를 순차적으로 반응시켰다. 그 결과 과산화수소가 너무 많이 만들어져 효소를 방해하는 부작용을 막을 수 있었다. 실험에서 리그닌 단위분자(단량체)는 98.3%가 고부가가치 화합물로 변했다. 단량체가 두 개 연결된 리그닌 이량체(다이머)는 98.7%가 고부가가치 화합물로 변했다. 

 

연구팀이 개발한 폐목재 리그닌 분해 3분할 촉매 시스템의 모습이다. UNIST 제공
연구팀이 개발한 폐목재 리그닌 분해 3분할 촉매 시스템의 모습이다. UNIST 제공

장 교수는 “추가 전압이나 시약 없이 태양광 에너지만으로 리그닌을 분해할 수 있는 시스템은 처음”이라며 “이를 통해 바닐린이나 바이오고분자 등 각종 화학제품에 필요한 고부가가치 화학물을 얻을 수 있다”고 말했다. 김 교수는 “친환경적인 방법으로 바이오매스를 방향족 석유화학제품으로 전환할 새로운 가능성을 열었다”고 말했다.


연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 12일자에 발표됐다. 
 

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