폐페트병이 화학원료와 수소로…경상국립대 최명룡 교수 연구팀, 고효율 전기화학 촉매 개발

- 수소 생산과 연계한 전기화학 시스템 구축…자원순환 기술 활용 기대

- 국제 저명 학술지 《Angewandte Chemie International Edition》 게재

 

경상국립대(총장 권진회) 자연과학대학 화학과 최명룡 교수 연구팀이 폐플라스틱(PET) 분해 산물인 에틸렌글리콜을 포름산염으로 효율적으로 바꾸고 수소까지 함께 생산할 수 있는 전기화학 촉매를 개발했다.

최근 폐플라스틱으로 인한 환경오염이 심해지면서, 단순 재활용을 넘어 폐플라스틱을 유용한 화학물질로 바꾸는 자원화 기술의 중요성이 커지고 있다. 페트병과 섬유 등에 널리 쓰이는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 분해 과정에서 에틸렌글리콜(EG)이 얻어지는데, 이를 다양한 산업용 화학원료로 전환할 수 있어 주목받고 있다.

연구팀은 액상 펄스 레이저 조사법(PLIL, 액체 속 물질에 펄스 레이저를 쏘아 소재를 합성하는 방법)으로 니켈 셀레나이드(NiSe)를 합성한 뒤, 셀레늄(Se)과 결합한 이리듐(Ir)을 원자 수준으로 분산시켜 니켈 자리에 도입한 촉매(Ir/NiSe)를 개발했다. 전자를 끌어당기는 성질을 가진 이리듐이 주변 니켈의 전자구조를 바꿔 활성 물질인 니켈 옥시수산화물(NiOOH)의 생성을 촉진하고, 이를 통해 에틸렌글리콜의 전기화학적 산화 반응이 효율적으로 일어나도록 했다.

개발된 촉매는 기존 니켈 셀레나이드 촉매보다 우수한 전기화학적 성능을 보였으며, 1.60 V(가역수소전극 기준, vs. RHE)에서 에틸렌글리콜을 포름산염으로 전환하는 패러데이 효율(Faradaic efficiency, 투입된 전류 가운데 목표 반응에 쓰인 비율) 83.09%, 포름산염 생성속도 1248 µmol cm⁻² h⁻¹를 기록했다. 연구팀은 에틸렌글리콜이 촉매에 두 곳으로 붙는 이중 흡착(bidentate adsorption)을 거쳐 글리옥살(glyoxal)을 중간체로 포름산염으로 전환되는 주요 반응 경로를 규명했다.

연구팀은 에틸렌글리콜 산화반응과 수소 발생반응을 결합한 전기화학 시스템을 구축해 포름산염과 수소를 함께 생산했고, 폐PET 분해액에서 테레프탈산(TPA)과 포타슘 디포메이트(KDF)를 회수했다. 이번 결과는 폐플라스틱 재활용을 포름산염 및 수소 생산과 연계할 수 있음을 보여, 향후 자원순환 및 친환경 에너지 기술 개발에 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 교육부 기초과학연구역량강화사업 재원으로 한국기초과학지원연구원(KBSI) 국가연구시설장비진흥센터(NFEC)의 지원을 받아 수행됐으며, 그 결과는 「Isolated Ir–Se Sites in Nickel Selenide for Glyoxal-Mediated Ethylene Glycol Oxidation to Formate and PET Upcycling」이라는 제목으로 8월 20일 와일리(Wiley-VCH)가 발행하는 화학 분야 국제학술지 《Angewandte Chemie International Edition》(IF 17.6, JCR 화학·다학제분야 상위 6.2%, 2025 JCR 기준)에 온라인 게재됐다.

최명룡 교수는 “이번 연구는 원자 단위 촉매 설계를 통해 폐플라스틱 유래 물질을 고부가가치 화학원료로 전환하고, 수소를 동시에 생산할 수 있는 가능성을 확인한 성과”라며 “앞으로도 레이저 기반 나노소재 합성 기술을 활용해 지속가능한 자원순환 및 친환경 에너지 기술 개발에 기여하겠다”라고 말했다.

 

■ 논문 정보

·논문명: Isolated Ir–Se Sites in Nickel Selenide for Glyoxal-Mediated Ethylene Glycol Oxidation to Formate and PET Upcycling

·게재지: 《Angewandte Chemie International Edition》

·Journal Link(DOI): https://doi.org/10.1002/anie.6834878  

 

·사진 설명: 최명룡 교수 연구팀(왼쪽부터 경상국립대 첨단화학연구소 박사과정 니바르티 바라드와즈 라지브 씨·자예쉬 체루세리 박사, 최명룡 교수)

·내용 문의: 화학과 최명룡 교수 | 055-772-1492