▲ (좌측 상단부터 시계방향으로)주상훈 교수, 김용환 교수, 장지욱 교수, 고묘화 연구원

버려진 목재를 비롯한 식물 폐기물을 효과적으로 분해한 뒤 고부가가치 물질로 바꿀 수 있는 ‘융합촉매 시스템’이 개발됐다. 석유화학제품의 원료를 뽑아낼 새로운 친환경 기술로 주목받고 있다.

UNIST(총장 직무대행 이재성) 에너지 및 화학공학부의 장지욱, 김용환, 주상훈 교수팀은 폐목재 등에 많이 함유된 ‘리그닌(Lignin)’을 태양광 에너지를 이용해 고부가가치 화합물로 바꿀 ‘광·전기·생물촉매 시스템(융합촉매 시스템)’을 개발했다.

세 가지 촉매가 서로 연결돼 작동하면서 추가 전압이나 시약 없이도 리그닌을 연속적으로 분해한다는 게 큰 장점이다. 태양광 에너지에서 전기를 얻고(광촉매), 이 전기로 과산화수소를 생산하며(전기촉매), 과산화수소가 리그닌을 분해하는 생물촉매를 활성화 시키는 원리다.

리그닌을 비롯한 바이오매스(Biomass)는 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 늘리지 않으면서도 화석연료나 석유 화합물을 대체할 수 있는, 자연에서 가장 풍부한 탄소 물질이다.

특히 리그닌은 고부가가치의 유기 화합물을 생산할 원료로 주목받지만, 그 구조가 매우 복잡하고 불규칙해 분해와 변환이 까다롭다.

리그닌 분해에는 효소 같은 생물촉매를 써야 하는데 이 경우 일정한 농도의 과산화수소가 중요하다.

과산화수소는 생물촉매를 활성화하기 때문에 반드시 투입해야 하지만, 너무 많으면 오히려 촉매반응을 방해하기 때문이다.

이번 연구에서는 리그닌 분해와 변환에 뒤따르는 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 연결한 것이다.

세 가지 촉매는 중간막으로 분리된 3분할 반응기 내에서 순차적 반응을 일으켜 최종적으로 리그닌을 분해한다.

특히 위 분할 시스템에서는 중간막이 생물촉매를 반응 저해요소로부터 완벽하게 보호한다.

또 과산화수소는 만들어지는 족족 생물촉매에 의해 사용되므로 과산화수소 농도가 일정하게 유지돼, 리그닌 분해가 안정적으로 진행된다.

장지욱 교수는 “추가 전압이나 시약 없이 태양광 에너지만 이용해 리그닌을 선택적으로 전환할 수 있는 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 “이번 연구를 통해 친환경적인 방법으로 폐목재 같은 바이오매스를 방향족 석유화학제품으로 전환할 새로운 가능성을 제시했다는 점에서 그 의의가 크다”고 강조했다.

이번 연구성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월12일자로 공개됐다. 고묘화 UNIST 석박통합과정 대학원생, 르땅마이팜(Le Thanh Mai Pham) UNIST 박사 후 연구원, 사영진 UNIST 박사(現 광운대학교 조교수)가 공동 1저자로 참여하였다. 연구 수행은 ‘폐바이오매스를 이용한 zero-waste 바이오리파이너리 기술 개발’이라는 주제의 기후변화과제와 중견연구과제 지원 등을 받아 이뤄졌다.

▲ 3분할 융합촉매 시스템