부산대 김일 교수팀, 고효율 재활용 가능한 벤젠 유도체 나노캡슐 촉매 개발

오염 적은 바이오디젤, 생산성 혁신 길 열린다
5회 이상 재활용 가능, 800도에서도 원형 유지…촉매·전지·센서 등 활용 기대



부산대학교(총장 차정인)는 화학공학·고분자공학과 김일 교수 연구팀이 값싼 벤젠으로부터 다공성 나노캡슐을 손쉽게 제조하는 기술을 새롭게 개발했다고 27일 발표했다.

연구팀은 균일한 다공성을 가진 이 유기 나노소재를 황산으로 기능화함으로써 다양한 식물유와 폐식용유로부터 바이오디젤을 90% 이상의 효율로 제조하는 방법을 제시했다.

식물성 기름을 원료로 해서 만든 연료인 바이오디젤은 경유와 달리 약 10%의 산소를 함유해 연소과정에서 완전 연소가 일어나 경유보다 대기 오염 물질이 40~60% 이상 적게 배출되는 신재생에너지원이다.

지만 종래의 산 촉매와 염기 촉매를 사용하는 경우 효율이 떨어지고 제조 후 촉매를 제거하기가 쉽지 않을 뿐만 아니라 재생 사용도 불가능했다. 모든 생산 설비를 내부식성 재료를 사용해야 해서 경제성이 낮았다. 이 때문에 생산 효율이 높고 재활용이 가능한 고체 촉매의 개발로 석유로부터 얻은 디젤과 경쟁할 수 있는 공정의 개발이 절실해 왔다.

복잡하게 설계된 고체 촉매를 사용하는 경우 제조과정이 까다롭고, 고체 촉매에 결합시킨 작용기가 반응과정에서 없어져 여러 차례 재활용하는 것이 어려웠다.

연구진은 흔히 알려진 산-염기 반응을 이용함으로써 값싼 벤젠 유도체를 원하는 방향으로 중합(polymerization)하는 방법을 찾아냈다. 구조가 매우 균일한 다공성 나노캡슐, 나노튜브, 나노시트를 동시에 대량생산할 수 있게 됐다.

실제 이렇게 만든 다공성 나노캡슐의 넓은 표면에 원하는 작용기를 화학적으로 결합할 수 있어 90% 이상의 효율로 바이오디젤을 생산하고 목재의 주성분인 셀룰로오스로부터 포도당을 제조하는 효율적인 촉매로 쓸 수 있었다.

이 다공성 카본소재는 매우 안정적이어서 반응과정에서 작용기가 없어지는 일도 발생하지 않아 효율의 손실 없이 최소 5회 이상 재활용할 수 있는 경제성도 갖추고 있다. 매우 안정된 구조로 섭씨 800도 이상으로 소성(燒成)한 후에도 원래 모양을 유지하는 장점이 있다.

향후 각종 촉매는 물론 연료전지, 커패시터, 리튬이온전지, 트랜지스터, 항공우주 및 자동차용 복합재료와 약물전달시스템, 바이오센서 등에 쓰일 수 있는 실마리가 될 것으로 기대된다.

이번 연구는 교육부·한국연구재단 이공학개인기초연구지원사업(기본연구-후속연구)의 지원으로 수행돼 국제학술지 <그린 케미스트리(Green Chemistry> 5월 1일자(온라인)에 게재됐다.

부산=김태현 기자 hyun@hankyung.com