폐플라스틱(PET) 분해 산물 에틸렌글리콜을 포름산염 및 수소로 동시 전환
화학 분야 최고 권위 학술지 ‘Angewandte Chemie International Edition’ 게재

지구촌 전체의 심각한 환경 문제로 부상한 폐플라스틱을 고부가가치 산업용 화학원료와 청정 수소 에너지로 동시에 전환할 수 있는 혁신적인 기술을 국내 연구진이 개발했다.

경상국립대는 자연과학대학 화학과 최명룡 교수 연구팀이 폐플라스틱(PET)의 분해 산물인 에틸렌글리콜(EG)을 유용한 포름산염으로 효율적으로 전환하고, 이 과정에서 수소까지 함께 생산할 수 있는 고효율 전기화학 촉매를 개발했다고 9일 밝혔다.

왼쪽부터 경상국립대 첨단화학연구소 박사과정 니바르티 바라드와즈 라지브 씨·자예쉬 체루세리 박사, 최명룡 교수. 경상국립대 제공

페트병과 섬유 등의 주원료로 쓰이는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 분해 과정에서 에틸렌글리콜이 대량 발생한다.

이를 유용한 화학물질로 바꾸는 기술은 단순 재활용을 넘어 자원 순환 가치를 극대화할 수 있는 핵심 과제로 주목받아 왔다.

연구팀은 ‘액상 펄스 레이저 조사법(PLIL)’을 활용해 니켈 셀레나이드(NiSe)를 합성한 후 셀레늄(Se)과 결합한 이리듐(Ir)을 원자 수준으로 분산시켜 니켈 자리에 치환한 ‘Ir/NiSe’ 촉매를 성공적으로 제작했다.

전자를 강하게 끌어당기는 성질을 가진 이리듐 원자가 주변 니켈의 전자구조를 효과적으로 변화시킴으로써 전기화학 반응을 촉진하는 활성 물질(니켈 옥시수산화물)의 생성을 극대화한 것이 이번 기술의 핵심이다.

개발된 촉매는 기존 니켈 셀레나이드 촉매 대비 월등한 전기화학적 반응 성능을 입증했다. 1.60V 전압 조건에서 에틸렌글리콜을 포름산염으로 바꾸는 패러데이 효율(투입된 전류 대비 목표 반응 비율)은 83.09%에 달했으며, 포름산염 생성 속도 역시 시간당 1,248µmol cm⁻²를 기록했다.

연구팀은 이 과정에서 에틸렌글리콜이 촉매 표면에 이중으로 흡착돼 글리옥살(glyoxal)을 중간체로 거쳐 포름산염으로 전환되는 세부 반응 경로도 명확히 규명해 냈다.

나아가 연구팀은 에틸렌글리콜 산화반응과 수소 발생반응을 연계한 전기화학 통합 시스템을 구축해 포름산염과 수소를 동시에 얻어내는 데 성공했다.

실제 폐PET 분해액을 적용한 실증 실험에서도 테레프탈산(TPA)과 포타슘 디포메이트(KDF)를 안정적으로 회수하며 높은 실용성을 입증했다.

이번 연구 성과는 그 우수성을 인정받아 세계적 학술 출판사 와일리(Wiley-VCH)가 발행하는 화학 분야 세계 최고 권위의 국제 학술지인 ‘Angewandte Chemie International Edition’(인용지수 17.6)에 온라인 게재됐다.

최명룡 경상국립대 교수는 “이번 연구는 원자 단위의 촉매 설계를 통해 폐플라스틱 유래 물질을 고부가가치 화학원료로 전환함과 동시에 청정 수소를 얻을 수 있음을 증명한 성과”라며 “앞으로도 독자적인 레이저 기반 나노소재 합성 기술을 더욱 고도화해 지속 가능한 자원순환과 친환경 에너지 기술 발전에 이바지하겠다”고 밝혔다.

진주=강승우 기자 [e-mail]