아주대 공동 연구팀,‘고성능 촉매’ 개발

[헤럴드경제(수원)=박정규 기자]국내 연구진이 폐플라스틱의 업사이클링을 보다 효율적으로 가능하게 하는 고성능 촉매를 개발하는데 성공했다. 특히 원자 수준에서 반응 원리를 규명해냈다는 점에서 앞으로 폐기물의 고부가가치 화학물질 전환과 같은 친환경 자원순환 기술의 발전에 기여할 수 있을 전망이다.

아주대(총장 최기주)는 조인선 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 니켈 기반 촉매에 코발트(Co)를 도입해 폐플라스틱의 에틸렌글리콜(EG)을 고부가가치 화학물질인 포름산(Formic acid)으로 전환하는 전기화학 촉매를 개발했다고 12일 밝혔다.

이번 연구 결과는 ‘에틸렌글리콜의 선택적 포름산 전환을 위한 니켈 기반 촉매의 원자 수준 설계와 격자 산소 활성화(Lattice oxygen unlocked: Descriptor-guided edge doping of NiOOH for selective upcycling of ethylene glycol to formic acid)’라는 제목으로 에너지·환경·촉매 분야의 저명 국제 학술지인 <어플라이드 캐탈리시스 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)>에 지난 10월 온라인 게재됐다.

이번 연구에는 아주대학교 연구진을 중심으로 스페인 지로나대학교 계산 화학·촉매 연구소와 한국기초과학지원연구원(KBSI)이 참여했다. 스페인 지로나대학의 사마드한 캅세(Samadhan Kapse) 박사와 아주대 아루무감 시바난탐(Arumugam Sivanantham, 첨단신소재공학과) 교수가 공동 제1저자로 참여했다.

조인선 교수가 교신저자로 연구를 주도했다. 캅세 박사는 촉매의 원자 구조와 반응 메커니즘을 규명하기 위한 이론 계산을, 시바난탐 교수는 촉매 제작과 전기화학적 성능 평가를 담당했다. 한국기초과학지원연구원의 김성순 연구원이 공동저자로서 촉매의 구조 및 특성 분석을 맡았다.

전 세계적으로 플라스틱의 사용량이 급격히 늘어나면서, 폐플라스틱의 처리 문제는 중요한 환경 문제로 부각되어 왔다. 특히 생수병과 식품 포장재 등에 널리 사용되는 페트(PET)는 사용 후 상당량이 폐기되고 있어, 이를 유용한 자원으로 재활용하는 기술의 중요성이 커지고 있다.

기존의 플라스틱 재활용이 주로 폐플라스틱을 분쇄하거나 녹여 다시 플라스틱 제품으로 사용하는 방식이었다면, 최근에는 폐플라스틱을 화학적으로 분해해 더 가치 있는 물질로 전환하는 ‘업사이클링(Upcycling)’ 기술이 주목받고 있다. 대표적인 사례가 페트(PET)를 분해해 얻을 수 있는 에틸렌글리콜(EG)을 기초 화학 원료 포름산(Formic acid)으로 전환하는 기술이다. 포름산은 화학제품 제조와 다양한 산업 공정에 활용되는 화학 원료로, 수소(H₂) 저장 및 운반을 위한 에너지 소재로도 연구되고 있다.

사용하고 난 페트를 유용한 화학 원료로 전환하는 과정은 크게 두 단계로 이루어진다. 먼저 페트를 알칼리 용액에서 화학적으로 분해하면 플라스틱을 구성하는 원료 물질 중 하나인 에틸렌글리콜을 얻을 수 있다. 이후 에틸렌글리콜이 포함된 용액에 전극을 넣고 전기를 공급하면, 전극 표면에서 에틸렌글리콜이 산화되면서 포름산으로 전환되는 전기화학적 반응이 일어난다.

이러한 전기화학적 전환 기술은 고온·고압 조건이 필요한 또 다른 공정과 비교하면 상대적으로 덜 까다로운 조건에서 전기를 이용해 화학반응을 유도할 수 있다는 게 장점이다. 특히 적절한 촉매를 사용하면 반응에 필요한 전기에너지를 줄이면서 원하는 화학물질을 효율적으로 생산할 수 있다. 또한 이 반응을 수소 생산 공정과 결합하면 한쪽 전극에서는 폐플라스틱 유래 물질을 유용한 화학 원료로 전환하고, 반대쪽 전극에서는 수소를 동시에 생산하는 것도 가능해 에너지 효율적인 자원순환 기술로 주목받고 있다.

그러나 에틸렌글리콜을 포름산으로 전환하는 과정에는 여러 복잡한 화학반응이 동시에 일어나기 때문에 원하는 물질만을 선택적으로 생산하기가 쉽지 않다. 이때 중요한 역할을 하는 것이 ‘촉매’다. 촉매는 화학반응이 더 쉽게 일어나도록 돕는 물질로, 반응에 필요한 에너지를 낮추고 특정 화학반응이 우선적으로 일어나도록 유도하는 역할을 한다. 따라서 포름산을 효율적으로 생산하기 위해서는 에틸렌글리콜의 산화반응을 촉진하면서 불필요한 부반응은 억제할 수 있는 고성능 촉매가 필요하다.

아주대 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 니켈 산화수산화물(NiOOH) 기반 촉매에 다양한 금속 원소를 도입하고, 촉매 표면에서 일어나는 화학반응을 원자 수준에서 분석했다. 연구팀은 컴퓨터를 활용한 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 여러 금속 원소가 촉매의 반응 특성에 미치는 영향을 비교했다. 그 결과 코발트(Co)를 도입했을 때 촉매 내부의 산소 원자가 더욱 활발하게 반응에 참여하며, 에틸렌글리콜을 포름산으로 전환하는 데 필요한 에너지 장벽이 크게 낮아진다는 사실을 확인했다.

특히 코발트가 직접 반응에 참여하는 것뿐 아니라 주변 산소 원자의 전자적 특성을 변화시켜 반응을 촉진한다는 점을 밝혀냈다. 이는 촉매 성능을 높이기 위해 금속 원소 자체뿐 아니라 인접한 산소 원자의 특성까지 고려해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시한 것이다.

나아가 연구팀은 이러한 이론적 예측을 실제 촉매 제작과 실험을 통해 검증했다. 코발트를 도입한 니켈 기반 촉매는 기존 니켈 촉매보다 우수한 반응 성능을 나타냈으며, 포름산 생산 속도가 약 2.1배 향상되는 결과를 보였다 구체적으로는 전극 면적 1cm2당 시간당 약 0.92 mmol의 포름산을 생산했으며, 포름산 생성에 대한 패러데이 효율은 약 60%를 기록했다. 패러데이 효율은 반응에 사용된 전기 중 원하는 물질을 생산하는 데 활용된 비율을 의미한다.

.또한 동일한 수준의 전기화학 반응을 일으키는 데 필요한 전압도 기존 촉매보다 낮아, 적은 에너지로 반응을 진행할 수 있는 가능성을 확인했다. 이는 코발트 도입을 통해 촉매의 반응 활성과 포름산 생산 성능을 동시에 향상시킬 수 있음을 보여주는 결과다.

또한 10시간 동안의 연속 작동 시험에서도 초기 전류의 80% 이상을 유지했으며, 포름산 생성에 대한 패러데이 효율도 약 60% 수준으로 안정적으로 유지됐다. 이는 촉매를 일정 시간 연속 사용하더라도 반응 성능의 저하가 제한적이고, 원하는 포름산을 선택적으로 생산하는 능력이 유지된다는 것을 의미한다.

연구팀은 실제 폐플라스틱을 화학적으로 분해해 얻은 용액에서도 촉매 성능을 평가했다. 그 결과 포름산 생성에 대한 패러데이 효율(반응에 사용된 전기 중 원하는 물질을 생산하는 데 활용된 비율) 61.2%를 기록했으며, 10시간 동안 안정적인 반응 성능을 나타냈다. 이는 순수한 에틸렌글리콜 용액뿐 아니라 여러 분해 생성물이 함께 존재하는 실제 폐플라스틱 유래 용액에서도 촉매가 효과적으로 작동할 수 있음을 보여주는 결과로, 앞으로 폐플라스틱 자원화 기술로 널리 활용될 수 있을 전망이다.

아주대 조인선 교수는 “이번 연구의 중요한 성과는 단순히 새로운 촉매를 개발하는 것을 넘어, 어떤 원자가 촉매 반응을 촉진하는지, 그리고 그 반응성을 어떻게 조절할 수 있는지를 이론과 실험을 통해 체계적으로 밝혀냈다는 데 있다”라고 설명했다.

이어 “앞으로 이러한 촉매 설계 원리를 다양한 폐자원 전환 반응에 확대 적용한다면, 폐기물을 고부가가치 화학물질로 전환하는 친환경 자원순환 기술의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 덧붙였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

Google News 에서 헤럴드경제 팔로우