버려진 목재로 유용한 화학물질 만드는 ‘융합촉매’

버려진 목재를 비롯한 식물 폐기물을 효과적으로 분해한 뒤 고부가가치 물질로 바꿀 수 있는 ‘융합촉매 시스템’이 개발됐다. 석유화학제품의 원료를 뽑아낼 새로운 친환경 기술로 주목받고 있다.

UNIST(총장 직무대행 이재성) 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 개발했다. 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.

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, 그 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.

그림1. 리그닌 해중합을 위한 광촉매, 전기촉매, 생물촉매 복합화 3분할 시스템 모식도

이번 연구에서는 리그닌 분해와 변환에 뒤따르는 문제를 세 가지 촉매를 융합해 해결했다. 태양광을 받아 전기를 만드는 ‘광촉매’와 전기를 받아 과산화수소를 합성하는 ‘전기촉매’, 그리고 과산화수소를 이용하여 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.

그림2. 3분할 융합촉매 시스템의 실제사진

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.

이번 연구성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 12일자로 공개됐다. 고묘화 UNIST 석박통합과정 대학원생, 르땅마이팜(Le Thanh Mai Pham) UNIST 박사 후 연구원, 사영진 UNIST 박사(現 광운대학교 조교수)가 공동 1저자로 참여하였다. 연구 수행은 ‘폐바이오매스를 이용한 zero-waste 바이오리파이너리 기술 개발’이라는 주제의 기후변화과제와 중견연구과제 지원 등을 받아 이뤄졌다.