왼측 상단부터 시계방향으로 주상훈 교수, 김용환 교수, 장지욱 교수, 고묘화 연구원. (사진=UNIST 제공)
버려진 목재 등 식물 폐기물에서 고부가 가치인 석유화학제품의 원료를 뽑아낼 수 있는 기술이 개발돼 주목받고 있다.
유니스트(UNIST, 울산과학기술원)에너지 및 화학공학부 장지욱·김용환·주상훈 교수팀은 폐목재에 많이 함유된 '리그닌(Lignin)'에서 석유화학제품의 원료를 얻어낼 수 있는 시스템을 개발했다고 18일 밝혔다.
리그닌은 침엽수나 활엽수 등의 목질부를 구성하는 다양한 구성성분 중에서 지용성 페놀 고분자를 의미한다.
리그닌을 비롯한 바이오매스(Biomass)는 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 늘리지 않으면서도 화석연료나 석유 화합물을 대체할 수 있다.
즉, 자연에서 가장 풍부한 탄소 물질이라는 거다.
하지만 리그린의 구조는 매우 복잡하고 불규칙해 분해와 변환이 까다롭다.
3분할 융합촉매 시스템. (사진=UNIST 제공)
리그린을 분해하는데 효소 같은 생물촉매를 써야 하는데 이 경우 일정한 농도의 과산화수소가 가장 중요하다.
문제는 과산화수소가 너무 많으면 오히려 촉매반응을 방해한다는 것.
유니스트 연구진은 리그닌 분해와 변환에 뒤따르는 이 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 연결했다.
세 가지 촉매는 중간막으로 분리된 3분할 반응기 내에서 순차적 반응을 일으켜 최종적으로 리그닌을 분해한다.
특히 과산화수소가 만들어지는대로 생물촉매에 의해 사용돼 과산화수소 농도가 일정하게 유지된다.
그만큼 리그닌 분해가 안정적으로 진행된다는 것을 확인했다는 게 연구팀의 설명이다.
리그닌 해중합을 위한 광촉매, 전기촉매, 생물촉매 복합화 3분할 시스템 모식도. (그림=UNIST 제공)
장지욱 교수는 "추가 전압이나 시약 없이 태양광 에너지만 이용해 리그닌을 선택적으로 전환할 수 있는 시스템을 최초로 선보였다"고 말했다.
이어 "이 시스템을 통해 리그닌을 바닐린(Vanilin, C₈H₈O₃)이나 바이오 고분자 등 각종 화학제품에 필요한 고부가가치 화학물질로 바꿀 수 있다"고 했다.
김용환 교수도 "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.