김태용 한기대 교수팀, 고효율 친환경 촉매 활용한 HMF 전환 기술 개발

서울대학교, 한국생산기술연구원과 공동 연구 수행
'포도당→HMF' 전환 수율 83.8%...촉매 재사용성도 입증
강산 없이도 고수율...장비 부식·폐촉매 문제 해결 기대

김태용 한기대 에너지신소재화학공학부 교수./사진제공=한기대

한국기술교육대학교(KOREATECH)는 최근 김태용 에너지신소재화학공학부 교수 연구팀이 서울대학교, 한국생산기술연구원과 함께 5-하이드록시메틸푸르푸랄(5-HMF, 이하 HMF)을 고수율로 전환할 수 있는 새로운 촉매 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

HMF는 과당이나 포도당과 같은 6탄당을 촉매 반응으로 전환해 얻는 바이오 기반 화합물이다. 산업적 활용도가 높아 시장조사기관 'Verified Market Reports'(검증된 시장 보고서)에 따르면 연평균 9.5% 성장해 2033년에는 시장 규모가 25억달러를 넘어설 것으로 전망된다.

기존 공정은 산성 촉매를 사용해 과당을 HMF로 전환하는 방식이다. 이는 반응 중 상승하는 온도와 부산물에 의해 촉매 성능이 저하되고 환경적 부담이 발생하는 한계가 있었다. 특히 반응성이 낮은 포도당의 경우 강산 사용이 불가피해 장비 부식, 폐촉매 처리 등 실용화에 제약이 컸다.

연구팀은 강한 산성 물질 없이도 포도당을 HMF로 전환할 수 있는 촉매를 개발했다. 해당 촉매는 반응 시 액상으로 고르게 퍼져 포도당과 잘 섞이며, 반응이 끝나면 고체로 변해 99% 이상 회수 가능하다. 실험 결과 HMF 수율은 83.8%에 달했으며, 정제 없이 5회 재사용한 실험에서도 약 95% 수준을 유지했다.

또한 포도당이 기존 경로인 과당 전환 단계를 거치지 않고, '2,5-안하이드로만노스'(AHM)라는 중간 물질을 거쳐 직접 HMF로 전환되는 새로운 반응 경로를 규명했다. 이로써 반응 단계를 축소하고 공정 효율을 향상하는 결과를 얻게 됐다.

김 교수는 "장시간 지속되는 공정에도 환경친화적인 방법으로 높은 HMF 수율과 촉매 재사용이 가능하다는 점에서 그 의미가 크다"며 "새로운 반응 메커니즘을 실험과 계산과학을 통해 입증한 것도 학문적으로 중요한 성과"라고 설명했다.

한편 이번 연구 결과는 환경공학 분야 국제학술지 'Applied Catalysis B: Environmental and Energy'(IF=20.3) 2025년 6월 온라인판에 게재됐다. 오는 12월에 정식 출판될 예정이다.

김태용 한기대 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=한기대

권태혁 기자 taehkd@mt.co.kr