아주대(총장 최기주)는 장혜영 화학과 교수팀이 이산화탄소로부터 친환경 고분자 소재인 PPC(polypropylene carbonate)를 제조할 수 있는 고활성 촉매를 세계 최초로 개발했다고 24일 밝혔다.
아주대에 따르면 화석 연료가 기반인 플라스틱 산업에서는 다량의 온실가스가 배출된다. 이에 온실가스 배출을 줄여야 하는 탄소 중립 시대에는 이산화탄소를 통해 친환경 소재를 만드는 기술이 주목받고 있다.
친환경 고분자 소재를 만들려면 '촉매 기술'을 해결해야한다. 화학적으로 안정된 이산화탄소를 활성화해 화학반응을 일으키려면 적절한 촉매가 필요하기 때문이다.
이산화탄소로부터 플라스틱 원료인 PPC를 제조하는 핵심 공정에선 촉매 기술이 사용된다. 다만 독성이 없고 단가를 충족, 실제 산업에 적용할 수 있는 촉매는 그 수가 한정적이다.
현존하는 PPC 제조 촉매 기술 중 상용화 공정에서 주로 사용되는 불균일 촉매는 아연-글루타릭산 촉매와 아연-코발트 기반 촉매인 DMC(double metal cyanide) 촉매다. 아연-글루타릭산 촉매는 고분자 내 이산화탄소 첨가 비율은 높으나 활성이 매우 낮고, DMC 촉매는 활성은 높으나 고분자 내 이산화탄소 첨가 비율이 낮다는 단점이 있다.
연구팀은 이 두 상용화 촉매의 단점을 해소하는 촉매를 세계 최초로 개발했다. 이산화탄소 첨가 비율이 높으면서도 활성도가 높은 무독성 촉매를 만든 것이다.
연구에서 제조한 촉매는 느슨한 층상 구조를 가지고 있어 화학반응이 시작되면 나노 크기의 박막 입자로 쪼개져 활성 자리의 숫자가 급증해 고분자 반응을 촉진한다. 연구팀이 개발한 촉매를 활용하면, 1t의 PPC 제조 시 440kg 수준 CO2를 포함한다.
이는 동일 실험 조건에서 기존에 활용되던 아연-글루타릭산 촉매 대비 약 100배 높은 활성 향상을 보인 것이다. 또 자연에서 쉽게 구할 수 있는 갈산과 저렴한 아연염을 합성 및 촉매 원료로 활용, 촉매의 경제성을 확보해 기술 상용화 가능성을 높였다.
장혜영 교수는 “이산화탄소 첨가 비율이 높으면서, 활성도까지 기존의 DMC 촉매 수준으로 높은(98% 이상) 불균일 촉매를 세계 최초로 보고했다는데 이번 연구의 의의가 있다”며 “석유화학 기반 폴리카보네이트 플라스틱 산업을 이산화탄소 활용 친환경 고분자로 대체할 수 있는 혁신적 촉매 기술이 될 것으로 생각한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 연구개발 사업의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 저명 국제 학술지(ACS Sustainable Chemistry&Engineering) 2월 온라인판에 게재됐다.
수원=김동성 기자 estar@etnews.com
