국내 연구진이 버려지는 폐플라스틱을 고부가가치 화학 원료로 탈바꿈시키는 고성능 촉매를 개발하고, 작동 원리를 원자 수준에서 규명했다.
아주대학교는 첨단신소재공학과 조인선 교수 연구팀이 스페인 지로나대학교, 한국기초과학지원연구원(KBSI)과 공동 연구를 통해 폐페트(PET) 분해 산물인 에틸렌글리콜(EG)을 기초 화학 원료인 ‘포름산’으로 선택 전환하는 니켈-코발트 기반 전기화학 촉매를 구축했다고 12일 밝혔다.
지로나대학 사마드한 캅세 박사와 아주대 아루무감 시바난탐 교수가 공동 제1저자를 맡았고, 조인선 교수가 교신저자로 연구에 참여했다.
포름산은 각종 산업 공정은 물론 차세대 수소에너지 저장·운반 소재로도 활용 가치가 높은 물질이다. 학계에서 기존 폐플라스틱 재활용이 단순 분쇄나 용융에 그쳤다면, 최근에는 화학적 분해를 거쳐 고부가가치 물질을 얻는 ‘업사이클링’ 기술로 주목받고 있다.
특히 전기를 이용해 상온·상압에서 화학반응을 유도하는 전기화학적 전환은 에너지 효율이 높고 수소 생산 공정과도 결합할 수 있다. 다만 반응 과정에서 여러 부반응이 동시에 발생해 원하는 포름산만 정밀하게 추출하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 니켈 산화수산화물 촉매에 코발트(Co) 원자를 도입하고 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 원자 단위 반응을 분석했다.
그 결과 코발트가 주변 산소 원자의 전자적 특성을 변화시켜 반응 참여를 활성화하고, 포름산 전환에 필요한 에너지 장벽을 획기적으로 낮춘다는 사실을 밝혀냈다.
실증 실험 결과 새 촉매의 포름산 생산 속도는 기존 니켈 촉매보다 약 2.1배 빨라졌으며, 구동에 필요한 전압도 낮아져 에너지 효율을 높였다. 10시간 연속 가동 시험에서도 초기 성능의 80% 이상을 유지했다. 특히 불순물이 섞인 실제 폐플라스틱 분해 용액에서도 61.2%의 높은 패러데이 효율(투입 전기 대비 목표 물질 생산 비율)을 기록하며 상용화 가능성을 입증했다.
조인선 교수는 “어떤 원자가 촉매 반응을 촉진하고 조절하는지 이론과 실험으로 체계화한 데 의의가 있다”며 “다양한 폐자원을 고부가가치 화학물질로 바꾸는 친환경 자원순환 기술 발전에 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 국제 학술지 ‘어플라이드 캐탈리시스 B: 환경과 에너지’에 게재됐다.