▲ 개발된 다기능성 복합 촉매 표면에서 헤미셀룰로오스 분해산물이 GVL로 전환되는 연속반응 모식도

국내 연구팀이 목재 폐기물에서 고부가가치 화학물질을 제조할 수 있는 경제적인 나노촉매를 개발하는데 성공했다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 제정호 부산대 교수 연구팀과 하정명 한국과학기술연구원(KIST) 박사 연구팀이 공동연구를 통해 목재로부터 바이오연료를 생산할 때 버려지는 성분으로 GVL(감마발레로락톤)을 직접 제조하는 촉매를 개발했다고 22일 밝혔다.

목재에서 바이오에탄올과 같은 연료를 생산해 석유를 대체할 에너지원으로 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 목재에서 연료로 전환할 수 있는 성분은 불과 50%에 그치며, 다량의 탄소원이 폐기물로 남아 생산효율이 매우 낮다는 문제점이 있다.

이에 연구팀은 목재에서 바이오연료를 생산할 때 발생하는 폐기물 성분 중 하나이며 바이오매스의 30%를 차지하는 헤미셀룰로오스를 GVL로 전환해 유용하게 쓸 수 있는 방법을 고안했다.

GVL은 친환경 용매, 연료 첨가체, 바이오플라스틱 구성 물질 등 다양하게 활용될 수 있고, 그 자체로도 연료물질로서 잠재력이 있는 고부가가치 화합물질이다. 그러나 현재 생산을 위해선 탈수반응, 수소화 반응 등 다단계의 화학 반응을 거쳐야 해 단위 공정 수가 많고, 공정 중에도 고가의 귀금속 촉매 및 수소 가스 등을 사용해야하기 때문에 공정 효율 및 경제성이 낮다는 것이 숙제로 남아있다.

연구팀은 다단계의 화학반응을 한 반응기 내에서 해결할 수 있는 다기능성 나노 구조 촉매를 설계했다. 개발된 촉매는 저가의 실리카 제올라이트, 귀금속을 대신할 지르코늄 금속이 도입되어 경제적이다. 또한 이를 활용하면 헤미셀룰로오스를 GVL로 전환할 때의 다단계 화학반응을 한 단계로 해결함으로써 공정 효율을 70%까지 향상시켰다.

제정호 교수는 “이 촉매는 폐바이오매스 성분을 경제적·효율적으로 고부가가치 화학물질로 전환 가능함을 보여주었다”라며, “이러한 연구는 목재를 기반으로 하는 연료 및 에너지 생산 공정에 적용시 경제성을 향상시키는 데 기여할 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

한편 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기후변화대응기술개발사업과 KIST 기관고유사업의 지원으로 수행됐으며 국제학술지 어플라이드 카탈리시스 B: 인바이러멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)에 지난 9월 게재됐다.