[쿠키과학] '빛과 공기로 의약물질 만든다'… KAIST, '무한 순환' 촉매 기술 개발

성질 다른 두 촉매 결합, 고효율·친환경 공정 구현
리튬염 도입으로 촉매 간섭 해결, 수명 연장
가시광선만으로 무한 순환 시스템 완성
항암제·항생제 원료 아민 친환경 생산

빛과 공기를 에너지원으로 작동하는 융합 촉매 상상도. KAIST

KAIST는 화학과 한상우 교수팀이 서로 다른 성질의 두 촉매를 하나로 결합해 햇빛과 공기만으로 의약품 핵심 원료 ‘아민(amine)’을 합성하는 친환경 공정 기술을 확보했다.

화학합성 분야는 촉매의 성능과 재사용성 사이에 모순이 있어 이를 극복하기 위한 많은 연구가 수행되고 있다.

반응을 정밀하게 제어하는 촉매일수록 한 번 사용 후 폐기되는 경우가 많고, 반복 사용이 가능한 촉매는 반응 효율이 떨어진다.

연구팀은 이런 상반된 특성을 동시에 활용하기 위해 빛과 공기만으로 작동하는 새로운 촉매 시스템을 구현했다.

연구팀이 결합한 촉매는 고체 표면에서 작동하는 은 기반 불균일 촉매와 용액 내에서 빛에 반응하는 유기 광촉매 DDQ다. 

DDQ는 빛을 흡수해 화학 반응을 유도하는 물질로, 유기합성 분야에서 활용도가 높지만 재사용 과정에서 추가 물질이 필요하거나 반응 효율이 떨어지는 한계가 있었다. 아울러 두 촉매를 함께 사용할 때 서로의 활성을 저해하는 문제도 발생했다.

연구팀은 리튬염(LiClO₄)을 도입해 이 문제를 해결했다. 

리튬 이온은 유기 촉매를 안정화하고, 과염소산 이온은 금속 촉매의 활성을 유지시키면서 두 촉매가 간섭 없이 작동하도록 돕는다. 

특히 연구팀은 반응 과정에서 생성되는 부산물을 다시 촉매 작동에 활용하도록 설계, 시스템 전체가 끊임없이 돌아가는 순환형 구조를 설계했다.

유기 광촉매가 반응을 수행한 후 생성되는 환원형 물질이 은 이온을 금속 나노입자로 바꾸면서 동시에 스스로 원래 상태로 복귀하고, 생성된 은 나노입자는 빛과 산소에 의해 다시 이온 상태로 돌아간다. 

불균일계-균일계 융합 광촉매 시스템의 작동 모식도. KAIST

이 과정이 반복되면서 촉매는 별도의 보충 없이 지속적으로 작동한다.

이 시스템에서 햇빛은 반응을 시작하는 에너지원으로 작용하고, 공기 중 산소는 촉매를 다시 활성 상태로 되돌리는 역할을 맡는다. 

연구팀은 이 기술을 활용해 의약품 제조에 필수적인 아민 화합물을 합성하는 데 성공했다. 

아민은 항암제와 항생제 등 다양한 의약품의 핵심 구성 요소로, 기존에는 고온·고압 조건이나 추가 화학물질이 요구됐다.

아울러 연구진은 가시광선 조건에서 두 촉매 사이에 일어나는 전하 이동 과정을 이론적으로 규명, 촉매 시스템의 작동 원리를 명확히 설명했다. 

이번 연구는 화학 공정에서 발생하는 탄소 배출과 환경 오염을 줄이는 데 기여하고, 향후 유사한 하이브리드 촉매 설계에 중요한 기반이 될 전망이다.

한 교수는 “서로 다른 촉매 시스템의 장점을 결합해 새로운 반응 경로를 만들어 화학 공정을 보다 친환경적으로 전환하는 바탕을 마련했다”며 “고부가가치 화합물을 환경 부담 없이 생산할 수 있는 기반 기술로 확장될 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 화학과 백진욱 연구원이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난 18일 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)’에 게재됐다.
(논문명: Merger of heterogeneous and homogeneous photocatalysis for arene C–H Amination)

(왼쪽부터)한상우 교수, 백진욱 연구원. KAIST

이재형 기자 jh@kukinews.com