[로이슈 전여송 기자] 바이오디젤을 생산할 때 나오는 부산물인 글리세롤을 순도 높은 유산(Lactic acid)으로 전환할 수 있는 전극 촉매가 개발됐다. 유산은 젖산이라고도 불리는 유기산의 일종으로, 식품, 화장품, 의약품 등 다양한 분야에서 활용된다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대 김정규 교수 연구팀이 광전기화학 기술을 이용한 전극 촉매를 개발, 글리세롤을 95% 이상의 높은 선택도로 유산으로 변환하는 데 성공했다고 1일 밝혔다. 한양대 김병현 교수와의 공동연구를 통해 반응 메커니즘도 규명했다.

재단에 따르면 광전기화학(Photoelectrochemistry, PEC이란 빛 에너지를 이용해 전기화학적 반응을 유도하는 분야다. 물을 분해해 수소를 생산하거나 반도체 전극에 빛을 쪼여 전기화학 반응을 일으킬 수 있다. 이 연구에서는 산화물반도체의 전극 표면을 재구성해 전극 촉매를 만드는 핵심 기술로 쓰였다.

전극 촉매란 전기화학 반응이 일어나는 전극 표면에서 반응 속도를 높이는 물질을 뜻한다. 전극 재료 자체이거나 전극 표면에 부착된다. 선택도란 화학 반응을 통해 특정 물질을 생성할 때 원하는 생성물과 원하지 않는 생성물의 비율이다.

바이오디젤 생산 과정에서 주요 부산물로 생성되는 글리세롤의 양은 전 세계적으로 연간 400만 톤 이상에 이르지만, 낮은 시장가격으로 인해 고부가가치 화학물질로의 전환 기술이 요구되고 있다.

기존 글리세롤 전환 기술은 고온·고압 조건에서 작동하는 열촉매 공정이나 백금, 금 등 고가의 귀금속을 사용하는 전기화학 공정으로 경제성·친환경성에 한계가 있었다. 특히 반응 선택성이 낮아 원하는 생성물을 고순도로 얻기 어렵다는 점이 근본적인 문제로 지적된다.

연구팀은 광전기화학 기술의 장점을 활용해 상온과 대기압의 온화한 조건에서 효율적이고 지속가능한 화학적 전환을 실현했다.

간단한 전기화학적 표면 재구성 방법으로 전극의 표면에 비정질 박막층을 도입해 글리세롤 산화를 촉진하는 금속산화물 광전극을 제작했다. 전극 표면 재구성은 산화물반도체인 구리 텅스텐 산화물(CuWO4) 전극 표면에 저원자가 상태의 구리와 텅스텐으로 구성된 약 3nm 두께의 비정질 층을 형성하는 방식으로 진행했다.

비정질이란 원자나 분자들이 불규칙하게 흩어져 있는 물질 상태로 결정 구조를 가지지 않은 고체를 뜻한다. 저원자가(low-valence) 상태란 원자가 가지는 보통의 안정한 산화 상태보다 낮은 산화 상태이다.

이렇게 개발된 전극 촉매(R-CuWO4)는 물속에서 글리세롤을 유산으로 전환하는 탁월한 성능을 보였으며 95.9%의 높은 유산 용액 선택도를 기록했다. 이는 기존 대비 3배 이상 향상된 수치로 세계 최고 수준이다. 또한 고도화된 실험적 분석을 통해 글리세롤-유산 전환 시 화학적 반응 경로가 제어되고 선택적인 유산 생산 경로가 활성화됨을 입증했다.

김정규 교수는 “글리세롤과 같은 바이오매스 유래 폐기물을 고부가가치 화학물질로 직접 전환하는 친환경적 방법을 제시한 것”이라며, “에너지 신산업의 경제성을 높이고 탄소중립 사회로의 전환에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 및 선도연구센터 지원사업으로 수행된 이번 연구 성과는 화학 및 에너지 분야의 국제 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 4월 15일 게재됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr