융합촉매로 버려진 목재서 유용한 화학물질 얻다

UNIST 공동연구팀, 광·전기·생물촉매 시스템 개발
태양광·전기·생물촉매로 목질 구성성분 '리그닌' 분해
세 가지 촉매를 연결해 버려진 목재에서 화학제품을 얻는 새로운 방법이 제시됐다.

UNIST(총장 직무대행 이재성)는 장지욱·김용환·주상훈 교수팀이 리그닌(Lignin)을 고부가가치 화합물로 바꿀 '광·전기·생물촉매 시스템(융합촉매 시스템)'을 개발했다고 18일 밝혔다.

리그닌은 침엽수·활엽수 등의 목질부를 구성하는 지용성 페놀 고분자다. 리그닌을 비롯한 바이오매스는 화석연료나 석유 화합물을 대체할 수 있는 탄소 물질이다. 그러나 리그닌의 구조가 복잡하고 불규칙해 분해와 변환이 까다롭다. 리그닌을 분해할 때는 효소 같은 생물촉매를 써야 한다. 이때 생물촉매를 활성화하는 데 과산화수소가 필요하지만, 너무 많으면 촉매 반응을 방해한다. 

연구팀은 리그닌 분해와 변환에 뒤따르는 문제를 세 가지 촉매를 융합해 해결했다. '광촉매'가 태양광을 받아 전기를 만들면 '전기촉매'는 전기로 과산화수소를 생산한다. 마지막으로 '생물촉매'는 과산화수소를 이용해 리그닌을 분해한다.

세 촉매는 중간막으로 분리된 3분할 반응기 내에서 순차적 반응을 일으킨다. 중간막은 생물촉매를 반응 저해요소로부터 완벽하게 보호한다. 또 과산화수소는 만들어지는 대로 생물촉매에 의해 사용되므로 과산화수소 농도가 일정하게 유지된다.

장지욱 교수는 "추가 전압이나 시약 없이 태양광 에너지만을 이용해 리그닌을 선택적으로 전환하는 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 "친환경적인 방법으로 폐목재 같은 바이오매스를 방향족 석유화학제품으로 전환할 가능성을 제시했다는 데 의미가 있다"고 말했다.

연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 12일 자로 공개됐다. 

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 제공>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 제공>
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