식물 폐기물의 핵심 성분인 '리그닌'을 고부가가치 연료와 화학물질로 효율적으로 전환하는 신기술이 개발됐다.
중국 임업과학원 화학공업연구소의 준밍 쉬 교수 연구팀은 15일(현지시간) 루테늄(Ru) 기반의 신규 촉매와 전해질 시스템을 통해 리그닌을 고효율로 분해하는 데 성공했다고 국제학술지 '중국 촉매학 저널'에 발표했다.
리그닌은 식물 바이오매스의 주요 구성 요소로 지구상에서 가장 풍부한 재생 가능한 방향족 자원 중 하나다. 고부가가치 화학물질로 전환할 잠재력이 크지만, 화학 구조가 복잡하고 결합이 강해 분해가 매우 어려웠다.
특히 전기를 이용해 리그닌을 수소화하는 기존 방식은 반응에 필요한 활성 수소가 리그닌 분해 대신 수소 기체를 만드는 데 소모되는 '수소 발생 반응' 문제로 효율이 낮았다.
연구팀이 개발한 'Ru@Bi/N-C' 촉매는 비스무트(Bi)-루테늄(Ru) 계면 구조를 통해 불필요한 수소 발생을 억제한다. 대신 활성 수소가 리그닌 분자에 효율적으로 반응하도록 유도해 에너지 효율을 극대화한다.
함께 개발된 'HPW-HFIP' 전해질 시스템도 핵심 역할을 한다. 인텅스텐산(HPW)은 전자와 양성자 전달을 도우며 활성 수소 생성을 촉진하고, 고극성 첨가제(HFIP)는 리그닌 분자의 수산기 활성화를 도와 화학 결합 분해에 필요한 에너지 장벽을 낮춘다.
연구팀이 대표적인 리그닌 모델 화합물(2-페녹시-1-페닐에탄올)을 이용해 실험한 결과, 이 촉매 시스템은 93.64%의 전환율과 91.92%의 패러데이 효율(전기에너지가 화학반응으로 전환된 효율)을 기록했다.
이 반응을 통해 페놀, 페닐에탄올 유도체 등 산업적으로 유용한 방향족 단량체가 생산됐다. 연구팀은 이번 성과가 재생에너지를 활용해 바이오매스로부터 지속가능한 가치를 창출하는 유망한 경로를 제공한다고 설명했다.