태양·전기로 미세플라스틱→화학연료로 만든다

박찬범 카이스트 교수 연구팀

태양빛과 전기를 이용한 미세플라스틱 업사이클링 구축. 네이처 신세시스(Nature Synthesis) 10월호 표지논문

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 태양빛과 전기로 바닷물 속에 녹아 있는 미세플라스틱을 다양한 고부가가치 화합물로 만드는 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST·카이스트)은 박찬범 신소재공학과 교수 연구팀이 네덜란드 델프트 공과(TU Delft) 프랭크 홀만 교수 연구팀과 공동으로 태양빛과 전기에너지를 이용해 미세플라스틱(microplastic)을 화학연료로 변환하고 미세플라스틱 업사이클링(upcycling)과 생체촉매 반응을 접목해 다양한 고부가가치 화합물을 생성하는 데 성공했다고 17일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 신세시스 (Nature Synthesis)' 10월호 표지논문으로 게재됐다

플라스틱(plastic)은 현대 생활에서 필수적인 재료로, 매년 약 3억9000만t이 전 세계적으로 생산되고 있다. 최근 코로나바이러스(coronavirus) 대유행 때문에 포장재와 개인 보호 장비의 사용이 증가해 플라스틱 수요가 더욱 증가했다. 대부분의 플라스틱 폐기물은 소각되거나 자연환경에 매립하는 방식으로 처리되고 있어 환경적·경제적 문제를 일으키고 있다. 특히 이 과정에서 생성되는 미세플라스틱은 생체에 축적되기 때문에 생태적 위협이 되고 있다.

연구팀은 태양에너지와 전기에너지를 이용해 미세플라스틱을 업사이클링하는 광전기화학 방식을 개발했다. 자연에 널리 존재하는 헤마타이트(hematite)를 광촉매로 이용해 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate) 미세플라스틱을 포름산염(formate)과 아세트산염(acetate) 화학연료로 전환했다. 또 분광학 및 (광)전기화학적 분석을 통해 헤마타이트의 광여기홀(photoexcited hole)이 해당 업사이클링 반응에 핵심적이라는 과학적 원리를 밝혔다. 스타벅스와 코카콜라 회사의 플라스틱 용기에서도 동일한 재활용 반응이 일어났다는 것을 입증해 해당 시스템의 실생활 적용 가능성을 확립했다.

연구팀은 이와 함께 플라스틱 업사이클링 광촉매반응을 여러 생체촉매 반응과 연합했다. 산화환원 효소(redox enzyme)를 활성화하는 기존의 광전기화학 시스템은 물 산화 반응(water oxidation reaction)에 의존했다. 그러나 속도가 느리고 경제적으로 가치가 낮은 산소를 생성한다는 문제가 있었다. 연구팀은 물 산화 반응보다 플라스틱 업사이클링 반응이 더 빠르다는 것을 이용해 산화환원 효소의 반응을 가속했을 뿐만 아니라 양극과 음극에서 동시에 고부가가치 화합물(키랄성 화합물, 의약물질 중간체, 화학연료 등)을 생성하는 데 성공했다.

박 교수는 "이번 연구는 환경 문제를 해결하면서 지속가능한 태양-화학에너지 전환을 위한 광 전기화학적 방식을 제시했다는 것에 의의가 있다?면서 "미세플라스틱을 더 빠르게 업사이클링(새활용)할 수 있는 광촉매를 개발하고, 여러 종류의 플라스틱을 새활용할 수 있는 방안을 찾을 계획?이라고 밝혔다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr