KBSI, 폐페트병서 화학원료 확보하는 '고효율 촉매' 개발

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 국제공동연구를 통해 폐페트병에서 나오는 에틸렌글리콜을 유용한 화학원료인 포름산염으로 바꾸는 고효율 촉매를 개발했다.
 
한국기초과학지원연구원(KBSI)은 진종성 박사팀이 경상국립대 최명룡 교수, 국립타이완과학기술대 장즈창 교수와 함께 폐페트병 유래 성분을 포름산염으로 전환하는 촉매를 개발했다고 22일 밝혔다.

또 촉매 표면에 루테늄 원자를 하나씩 고정해 전환 효율을 높이고 폐플라스틱 성분의 화학적 결합이 끊어져 새로운 원료가 만들어지는 과정도 밝혀냈다.

연구팀에 따르면 페트병을 화학적으로 분해할 경우 테레프탈산과 에틸렌글리콜을 얻을 수 있다. 테레프탈산은 다시 플라스틱 원료로 사용할 수 있으나 에틸렌글리콜은 물과 잘 섞여 분리하기 어렵다. 연구팀은 이 성분을 따로 떼어내는 대신 다른 산업에 활용할 수 있는 화학원료인 포름산염으로 바꾸는 방법을 모색했다.

이를 위해 얇은 판 형태의 산화니켈(NiO) 표면에 루테늄(Ru) 원자를 하나씩 고정한 '단일원자 촉매'를 개발했다. 이산화탄소 레이저를 약 10분간 쪼여 제작했으며 두 물질이 맞닿은 부분이 화학반응의 핵심 역할을 한다.

또 첨단 연구장비인 '하이브리드 이차이온질량분석기(Hybrid SIMS)'를 활용해 촉매 표면에 존재하는 물질의 종류와 분포를 정밀 분석하고 반응과정에서 생성되는 중간물질을 확인했다.

이론 계산 결과와 비교한 결과, 에틸렌글리콜에서 수소가 차례로 떨어져 나가고 두 탄소를 연결하던 결합이 끊어지면서 포름산염이 만들어지는 것으로 확인됐다.

이어 루테늄과 산화니켈이 맞닿은 부분이 반응 중간에 생기는 물질을 안정적으로 붙잡아 포름산염 생성을 돕는다는 점도 밝혀냈다.

성능 평가에선 촉매의 패러데이 효율이 86.37%로 나타났다. 이는 전기화학 반응에 사용한 전하 가운데 약 86%가 목표 물질인 포름산염을 만드는 데 쓰였다는 의미다.

실제 폐페트병을 분해한 용액에서도 25시간씩 12회, 총 300시간 동안 안정적인 성능을 유지해 실제 현장서의 활용 가능성도 확보했다.

이번 연구성과는 화학 분야 국제학술지 앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)에 최근 실렸다.

진종성 KBSI 책임연구원은 "촉매 표면에서 일어나는 반응 원리까지 밝혀낸 만큼 향후 다양한 폐플라스틱을 유용한 자원으로 바꾸는 촉매를 설계하는 데 활용될 것"이라고 기대했다.


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