국내 연구진이 버려진 목재 기반의 탄소 촉매를 이용해 친환경 과산화수소를 생산하는데 성공했다.
한국과학기술연구원(KIST) RAMP융합연구단 이영준 박사 연구팀은 한양대학교 윤홍석 교수, 부산대학교 강준희 교수 연구팀과 함께 버려지는 나무 부산물인 '리그닌(lignin)'을 활용해 과산화수소를 선택적으로 생성할 수 있는 탄소기반 촉매를 설계하고 개발하는데 성공했다고 1일 밝혔다. '리그닌'은 식물 세포벽의 구성성분으로, 향균성과 접착력 등을 가지고 있다.
과산화수소는 의료용 소독제부터 반도체 공정, 수처리까지 폭넓게 사용된다. 과산화수소는 생산과 운반, 저장과정에서 많은 에너지가 투입되다보니, 최근 에너지를 줄이기 위해 전기를 이용해 물과 산소로부터 과산화수소를 직접 생산하는 친환경 기술이 주목받고 있다. 하지만 반응 효율을 좌우하는 촉매의 성능과 비용이 상용화 걸림돌로 작용했다.
연구팀은 바로 이 문제를 해결하기 위해 리그닌을 활용했다. 연구팀이 리그닌을 활용해 개발한 촉매를 사용한 실험에서 95% 이상의 높은 선택도로 과산화수소를 생산하는데 성공했다. 이는 기존에 널리 사용되던 귀금속 기반 촉매를 대체할 수 있는 수준의 성능으로, 저비용·고효율을 동시에 달성했다는 점에서 의미가 크다.
특히 이번 연구에서는 단순히 바이오매스를 탄소 소재로 전환하는 데 그치지 않고, 촉매 표면의 미세한 화학구조를 정밀하게 제어하는 전략이 적용됐다. 연구팀은 촉매 표면에 존재하는 다양한 산소 작용기의 종류와 분포가 과산화수소 생성 반응의 선택성과 효율에 결정적인 영향을 미친다는 점에 주목했다. 이를 검증하기 위해 작용기의 구조를 단계적으로 조절하고, 특정 작용기를 선택적으로 제거하는 실험을 수행했으며, 그 결과 불필요한 반응 경로를 억제하고 과산화수소 생성 반응을 더욱 강화할 수 있음을 확인했다.
나아가 이러한 표면 화학 구조와 반응 성능간의 상관관계를 체계적으로 분석함으로써 어떤 구조적 요소가 고효율 반응을 유도하는지에 대한 설계 기준을 제시했다. 이는 향후 다양한 전기화학 반응에서 촉매를 설계하는 데 활용될 수 있는 중요한 기초 원리로, 친환경 화학공정 전반에 적용 가능한 확장성을 지닌다.
이번 성과는 버려지는 바이오매스를 고부가가치 기능성 소재로 전환함과 동시에, 에너지 효율이 높은 분산형 화학물질 생산 기술로의 전환 가능성을 보여준다. 특히 현장에서 필요한 만큼 과산화수소를 직접 생산하는 ‘온사이트(on-site) 생산 시스템’ 구축에도 기여할 수 있어, 수처리·소독·반도체 공정 등 다양한 산업 분야에서 비용 절감과 안전성 향상에 기여할 것으로 기대된다.
KIST 이영준 선임연구원은 "버려지는 나무 부산물을 활용해 친환경 소독제인 과산화수소를 효율적으로 생산할 수 있는 기술을 제시했다는 점에서 의미가 있다"며 "앞으로 촉매 성능을 더욱 고도화해 다양한 산업 현장에 적용할 계획"이라고 밝혔다.
과학기술정보통신부 KIST 융합연구단사업 등의 지원을 받아 수행한 이번 연구결과는 국제학술지 'Applied Catalysis B: Environment and Energy' 최신호에 게재됐다.
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