바이오디젤 부산물 '글리세롤', 젖산으로 간단히 변환

빛 에너지를 이용한 전극 촉매를 개발하고 글리세롤을 95% 이상의 높은 선택도로 젖산으로 변환하는 과정을 나타내는 그림. 한국연구재단 제공

바이오디젤을 생산할 때 나오는 부산물인 '글리세롤'을 순도 높은 젖산으로 전환할 수 있는 방법이 개발됐다. 유산이라고도 불리는 젖산은 유제품 발효 등에 쓰이는 액체다. 

한국연구재단은 김정규 성균관대 교수 연구팀이 빛 에너지를 이용한 전극 촉매를 개발하고 글리세롤을 95% 이상의 높은 선택도로 젖산으로 변환하는 데 성공했다고 1일 밝혔다. 

선택도란 화학 반응을 통해 특정 물질을 생성할 때 원하는 생성물과 원하지 않는 생성물의 비율을 가리킨다. 

바이오디젤 생산 과정에서 주요 부산물로 생성되는 글리세롤의 양은 전 세계적으로 연간 400만톤(t) 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 빛 에너지를 이용해 전기화학적 반응을 유도하는 '광전기화학 기술'을 이용해 상온과 대기압의 온화한 조건에서 효율적이고 지속가능한 화학적 전환을 실현했다. 전극의 표면에 비정질 박막층을 도입해 글리세롤 산화를 촉진하는 금속산화물 광전극을 제작했다. 비정질 박막층이란 원자나 분자들이 불규칙하게 흩어져 있는 물질 상태로 얇은 층을 말한다. 

연구팀은 산화물반도체인 구리 텅스텐 산화물(CuWO4) 전극 표면에 구리와 텅스텐으로 구성된 약 3nm 두께의 비정질 층을 형성해 전극 표면을 재구성했다. 

연구팀은 이렇게 개발한 전극촉매를 이용해 물속에서 글리세롤을 젖산으로 전환했다. 95.9%의 높은 젖산 용액 선택도를 기록했다. 기존 대비 3배 이상 향상된 수치로 세계 최고 수준이다. 

또한 김병현 한양대 교수와의 공동연구를 통해 전극촉매가 글리세롤을 젖산으로 전환하는 과정의 메커니즘을 규명했다. 글리세롤이 전산으로 전환될 때 특정 화학적 반응 경로가 제어되고 선택적인 젖산 생산 경로가 활성화됨을 입증한 것이다. 

김 교수는 “글리세롤과 같은 바이오매스 유래 폐기물을 고부가가치 화학물질로 직접 전환하는 친환경적 방법을 제시한 것이다"며 “에너지 신산업의 경제성을 높이고 탄소중립 사회로의 전환에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

연구 성과는 화학 및 에너지 분야의 국제 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 4월 15일 게재됐다. 

<참고자료>
-doi.org/10.1021/acsenergylett.5c00551
 

[이채린 기자 rini113@donga.com]