폐목재를 화학물질 전환 시스템 개발

■ 폐목재를 화학물질 전환 시스템 개발

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국내 연구진이 버려진 목재를 비롯한 식물 폐기물을 효과적으로 분해한 뒤, 고부가가치 물질로 바꿀 수 있는 ‘융합 촉매 시스템’을 개발했다. 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 장지욱. 김용환. 주상훈 교수 연구팀이 폐목재 등에 많이 함유된 ‘리그닌’(lignin)을 태양광 에너지를 이용해 고부가가치 화합물로 바꿀 ‘광. 전기. 생물 촉매 시스템 (융합 촉매 시스템)’을 개발했다고 2019년 11월 18일 밝혔다.

 

리그닌(lignin)을 비롯한 바이오매스는 대기 중 이산화탄소(CO2)를 늘리지 않으면서도 화석연료나 석유 화합물을 대체할 수 있다. 자연에 가장 풍부한 탄소 물질이다. 특히 리그닌(lignin)은 고부가가치의 유기 화합물을 생산할 원료로 주목받는다. 리그닌은 침엽수나 활엽수 등의 목질부를 구성하는 다양한 구성 성분 중에서 지용성 페놀 고분자를 말한다.

 

하지만, 리그닌(lignin)은 구조가 매우 복잡하고 불규칙해 분해와 변환이 까다롭다. 리그닌 분해에는 효소 같은 생물 촉매를 써야 하는 데, 이 경우 일정한 농도의 과산화수소가 중요하다. 과산화수소는 생물 촉매를 활성화하기 때문에 반드시 투입해야 하지만, 너무 많으면 오히려 촉매 반응을 방해하기 때문이다. 이번 연구에서는 리그닌 분해와 변환에 뒤따르는 문제를 세 가지 촉매를 융합해 해결했다.

 

태양광을 받아 전기를 만드는 ‘광촉매’와 전기를 받아 과산화수소를 합성하는 ‘전기 촉매’, 그리고 과산화수소를 이용하여 리그닌을 분해하는 ‘생물 촉매(효소)’를 연결한 것이다. 세 가지 촉매는 중간막으로 분리된 3분할 반응기 내에서 순차적 반응을 일으켜 최종적으로 리그닌을 분해한다. 특히, 연구진이 만든 분할 시스템에서는 중간막이 생물 촉매를 반응 저해요소로부터 완벽하게 보호한다.

 

또한, 과산화수소는 만들어지는 족족 생물 촉매에 의해 사용되므로 과산화수소 농도가 일정하게 유지되어 리그닌(lignin) 분해가 안정적으로 진행된다. 장지욱 교수는 “추가 전압이나 시약 없이 태양광 에너지만 이용해 리그닌(lignin)을 선택적으로 전환할 수 있는 시스템을 최초로 선보였다. 이 시스템을 통해 리그닌을 바닐린(Vanilin, C8H8O3) 혹은 바이오 고분자 등 각종 화학 제품에 필요한 고부가가치 화학 물질로 바꿀 수 있다”고 설명했다. 이번 연구성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.