아주대 연구팀, ‘CO2→플라스틱 촉매 기술’ 고활성 성공…화학 산업 발전 일조

이번 연구에는 아주대 장혜영 교수(화학과·대학원 에너지시스템학과)와 김승주 교수(화학과)가 교신저자로 참여했고, 양용문 석사 졸업생(대학원 에너지시스템학과)과 성기혁 박사과정 학생(대학원 에너지시스템학과)이 공동 제1저자로 참여했다.

연구 성과는 교내외 연구진과의 공동 연구를 통해 도출됐다. 촉매화학, 무기화학, 고분자화학, 재료화학, 물리학 분야의 융합 연구로, 아주대 이분열 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 박지용 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과), 연세대·성균관대 연구진도 참여했다. 장혜영 교수팀이 촉매·고분자 제조를 맡았고, 이분열·박지용 교수팀과 연세대·성균관대 연구팀이 촉매 및 고분자의 분석을 맡았다.

플라스틱 산업은 화석 원료를 기반으로 하기에 △원유 추출 △플라스틱 제조 △플라스틱 사용 및 폐기 등의 과정에서 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF6) 등 다량의 온실가스를 배출한다. 이에 현 구조의 플라스틱 산업은 이산화탄소 배출과 관련이 깊은 기후 위기 문제와 더불어, 유한한 자원인 화석 원료를 사용해야 하는 한계 등으로 지속가능한 발전에 저해가 된다.

실제 국제사회는 기후 위기에 대응하기 위해 탄소 중립을 목표로 공동 대응에 나서고 있다. 탄소 중립(Net-Zero)이란 인간 활동에 의한 온실가스 배출을 가능한 줄이고, 남은 온실가스는 흡수하고 제거해 실질적 배출량이 0(Zero)이 되게 하는 개념이다. 우리나라 역시 ‘2050 탄소중립’을 선언하고 2050년 탄소중립을 목표로 주요 정책을 수립해 실행하고 있다. 더불어 온실가스 감축을 위한 규제의 하나로 유럽연합(EU)의 탄소국경세 부과가 오는 2026년부터 단계적으로 시작될 예정이다.

이에 지속 가능한 탄소원인 이산화탄소로부터 플라스틱을 제조하는 기술은 환경과 경제 두 가지 측면에서 주목받고 있다. 친환경 이산화탄소 고분자 제조에 있어, 해결해야 하는 가장 중요한 문제 중의 하나는 ‘촉매 기술’이다. 이산화탄소는 화학적으로 매우 안정돼 있는 물질로 이산화탄소를 활성화시켜 화학반응에 참여시키려면 적절한 촉매가 필요하다.

이산화탄소로부터 PPC를 제조하는 공정의 핵심은 촉매 기술이기에 그동안 이산화탄소로부터 플라스틱의 원료인 PPC(Polypropylene carbonate)를 제조할 수 있는 다양한 종류의 균일 촉매와 불균일 촉매가 개발돼 왔다. 그러나 독성이 없고 활성과 단가를 모두 만족해 실제 산업에 적용 가능한 촉매는 그 수가 제한돼 있다.

현존하는 PPC 제조 촉매 기술 중 상용화 공정에서 주로 사용되는 불균일 촉매는 아연-글루타릭산 촉매와 아연-코발트 기반 촉매인 DMC(double metal cyanide) 촉매다. 아연-글루타릭산 촉매는 고분자 내 이산화탄소 첨가 비율은 높으나 활성이 매우 낮고, DMC 촉매는 활성은 높으나 고분자 내 이산화탄소 첨가 비율이 낮다는 단점이 있다.

아주대 공동 연구팀은 이 두 상용화 촉매의 단점을 모두 극복해 이산화탄소 첨가 비율이 높으면서도 활성이 매우 높은 무독성의 촉매를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다. 이산화탄소의 고분자 반응은 불균일 촉매 표면에서 진행되기 때문에 촉매 표면의 활성 자리가 적으면 촉매 활성이 떨어진다. 이번 연구에서 제조한 촉매는 느슨한 층상 구조를 가지고 있어 화학반응이 시작되면서 나노 크기의 박막 입자로 쪼개져서 활성 자리의 숫자가 폭발적으로 늘어나며 고분자 반응을 촉진한다. 연구팀이 개발한 촉매를 활용하면, 1t의 PPC 제조 시 440kg 수준의 CO2를 포함할 수 있다.

연구팀은 동일 실험 조건에서 기존에 활용되던 아연-글루타릭산 촉매 대비 100배 가까이 높은 활성 향상을 확인했다. 더불어 자연에서 쉽게 구할 수 있는 갈산과 저렴한 아연염을 합성 과정및 촉매 원료로 활용해 촉매의 경제성을 확보했다. 이는 기술의 상용화 가능성을 높이는 요소다.

장혜영 아주대 교수는 “이산화탄소 첨가 비율이 높으면서, 활성도까지 기존의 DMC 촉매 수준 으로 높은(98% 이상) 불균일 촉매를 세계 최초로 보고했다는데 이번 연구의 의의가 있다”며 “석유화학 기반의 폴리카보네이트 플라스틱 산업을 이산화탄소 활용 친환경 고분자로 대체할 수 있는 혁신적 촉매 기술이 될 것으로 생각한다”고 말했다.

장 교수는 “여러 분야 산업체에서 포집한 이산화탄소를 활용하여 플라스틱을 제조하는 선순환 구조를 만들 수 있을 것”이라며 “탄소 국경세 부과를 앞두고 친환경 소재 개발이 시급한 국내 화학 산업에서 다양한 활용이 가능하며, 실제 국내외 석유화학 기업에서 적극적으로 관심을 보이고 있다”라고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단 Carbon to X 사업의 지원을 받아 수행됐다.