버려진 나무로 소독제 만든다…KIST, 반도체·수처리용 친환경 촉매 개발[과학을읽다]

리그닌 기반 탄소 촉매로 과산화수소 95% 선택 생산…현장형 분산 화학공정 기대

버려지는 나무 부산물로 의료용 소독제와 반도체 세정, 수처리에 쓰이는 핵심 화학물질을 현장에서 직접 생산할 수 있는 친환경 촉매 기술이 나왔다. 폐자원을 고부가가치 소재로 전환하면서 화학 공정의 탄소 배출과 운송 위험까지 줄일 수 있어 반도체·환경 산업 전반의 활용 가능성이 주목된다.

리그닌 기반 탄소 촉매 제조 및 과산화수소 생성 선택성 제어 개념도. 지속가능한 바이오폴리머 리그닌을 가교·탄화해 탄소 촉매를 제조하고, 탄화 온도에 따라 표면 산소 작용기 구성을 조절하는 과정을 나타낸다. 표면의 C=O 작용기는 과산화수소 선택성을 높이고, OH 작용기는 선택성을 낮추는 것으로 확인됐다. KIST 제공

한국과학기술연구원은 RAMP융합연구단 이영준 박사 연구팀이 한양대학교, 부산대학교와 공동으로 목재 산업에서 버려지는 리그닌을 활용한 탄소 기반 촉매를 개발했다고 밝혔다. 이 촉매는 전기화학 반응에서 과산화수소를 95% 이상의 높은 선택도로 생산하는 데 성공했다. 이는 기존 귀금속 기반 촉매를 대체할 수 있는 수준의 성능이다.

과산화수소는 의료용 소독제, 식품 살균, 반도체 세정, 수처리 등 산업 전반에서 쓰이는 필수 화학물질이다. 하지만 현재는 대규모 화학 설비에서 생산한 뒤 저장·운송해야 해 에너지 소비와 안전 관리 부담이 컸다. 이번 기술은 전기를 이용해 물과 산소만으로 현장에서 필요한 만큼 과산화수소를 직접 생산할 수 있는 '온사이트(on-site) 생산' 가능성을 높였다는 점에서 의미가 크다.

핵심은 촉매 표면의 미세 화학 구조 제어다. 연구팀은 리그닌을 열처리해 탄소 소재로 전환한 뒤 표면 산소 작용기의 종류와 분포를 정밀하게 조절했다. 그 결과 과산화수소 생성에 유리한 반응 경로는 강화하고, 불필요한 부반응은 억제하는 설계 기준을 제시했다. 특히 표면의 C=O 작용기는 선택성을 높이고, OH 작용기는 성능을 떨어뜨린다는 점을 실험적으로 규명했다.

리그닌 기반 탄소 촉매의 과산화수소 생성 성능 비교 개념도. 리그닌 기반 탄소 촉매를 작동 전극으로 사용해 산소환원반응을 통해 과산화수소를 생성하는 전기화학 과정을 나타낸다. 기존 보고 촉매들과 비교해 본 연구 촉매가 더 높은 생성 속도를 보였으며, 900℃ 탄화 촉매(CCL9)보다 표면 -OH를 선택적으로 차단한 촉매(CCL9-BA)의 성능이 더욱 우수한 것으로 확인됐다. KIST 제공

이번 성과는 단순히 친환경 촉매 개발에 그치지 않는다. 대부분 연료로 소각되던 리그닌을 고기능 촉매 소재로 전환해 자원 선순환과 탄소 저감형 화학 산업 패러다임을 제시했다는 평가다. 향후 수처리·소독·살균 공정은 물론 AI 반도체 세정 공정 등 고순도 화학물질 수요가 큰 산업 현장에서 비용 절감과 안전성 향상 효과가 기대된다.

이영준 한국과학기술연구원 선임연구원은 "버려지는 나무 부산물을 활용해 친환경 소독제인 과산화수소를 효율적으로 생산할 수 있는 기술을 제시했다는 점에서 의미가 있다"며 "촉매 성능을 더욱 고도화해 다양한 산업 현장에 적용할 계획"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '응용촉매 B: 환경 및 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)' 최신호에 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr