울산과학기술원, 친환경 ‘산화프로필렌’ 합성법 개발
울산과학기술원, 친환경 ‘산화프로필렌’ 합성법 개발
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유해물질 배출 없이 햇빛과 산소로 화장품원료 3종 촉매 융합
사진 왼쪽부터 울산과학기술원(UNIST) 고묘화 연구원, 곽자훈 교수, 장지욱 교수 ⒸUNIST
사진 왼쪽부터 울산과학기술원(UNIST) 고묘화 연구원, 곽자훈 교수, 장지욱 교수 ⒸUNIST

[더케이뷰티사이언스] 햇빛과 산소를 이용해 화장품 원료를 합성하는 친환경 촉매 시스템이 개발됐다. 이번 연구는 촉매 분야 연구의 최고 권위지인 네이쳐 카탈리시스(Nature Catalysis) 표지논문으로 선정됐다. 논문명은 ‘Direct propylene epoxidation with oxygen using a photo-electro-heterogeneous catalytic system.’

울산과학기술원(UNIST) 곽자훈·장지욱(에너지화학공학과)·주상훈(화학과) 교수팀은 고부가가치 석유화학 원료인 산화프로필렌을 합성하는 ‘3종 촉매 융합 시스템’을 개발했다. 3종류 촉매가 연속적으로 반응해 프로필렌을 산화하도록 설계된 시스템이다. 기존에 프로필렌을 산화시키는 화학공정은 유해물질을 배출하는 문제가 있었는데, 이 시스템은 유해물질 배출이 없이 태양광 에너지와 산소만으로 산화프로필렌을 만들 수 있다.

산화프로필렌(분자식 CHCHCH2O)은 에테르와 유사한 냄새가 나며, 무색의 휘발성 액체인 유기 화합물로 화장품, 의약품 원료인 프로필렌글리콜(propylene glycol), 자동차 내장재 등에 쓰이는 폴리우레탄(polyurethane)의 폴리올(polyol)의 기초 원료다. 원유 납사(나프타)에서 나온 프로필렌을 산화시켜 만든다. 연간 1000만 톤 이상이 생산되며 플라스틱 시장이 성장함에 따라 해마다 그 생산량이 늘어나고 있다.

그동안 원유 납사에서 프로필렌을 얻은 뒤 이를 산화시켜 합성하는데, 가장 값싸고 친환경적인 산화제인 산소와는 원하는 데로 반응하지 않아 유해 물질인 염소를 써 생산해 왔다. 최근 환경 규제가 강화되면서 염소 대신 과산화수소를 산화제로 쓰는 공법이 상용화됐지만, 과산화수소 생산 공정 자체는 여전히 친환경적이지 못한 문제가 있다.

공동연구진이 개발한 시스템은 과산화수소까지 친환경적으로 만들 수 있다. 뿐만 아니라 실시간으로 과산화수소 공급이 가능해 생산 시스템을 단순화 할 수 있으며, 과산화수소 수송과 저장에 필요한 비용도 줄어든다. 고농도 과산화수소가 시간이 지날수록 분해돼 버려지는 것을 막을 수 있다는 장점도 있다.

이 시스템 개발을 위해 3종류 촉매의 반응을 정교하게 제어하는 기술이 쓰였다.

시스템 내의 광촉매는 물속에서 햇빛을 받아 전기(전자)를 생산하고, 전기화학 촉매는 이 전기를 이용해 산소를 환원시켜 과산화수소를 만든다. 마지막으로 과산화수소가 불균일촉매의 도움을 받아 프로필렌과 반응하면 산화프로필렌이 합성된다.

이번에 개발된 시스템은 94%의 효율로 산화프로필렌을 생산할 수 있었다.

사진 왼쪽부터 울산과학기술원(UNIST) 곽자훈 교수, 장지욱 교수 주상훈 교수 ⒸUNIST
사진 왼쪽부터 울산과학기술원(UNIST) 곽자훈 교수, 장지욱 교수 주상훈 교수 ⒸUNIST
광촉매, 전기촉매, 불균일촉매 융합 시스템의 산화프로필렌 생산법가장 왼쪽에 있는 광촉매가 태양광 에너지를 받아 정공(h+)과 전자(e-)를 생성한다. 이때 광촉매 표면으로 이동한 정공(h+)이 물을 산화시켜 산소를 발생시키며, 전자(e-)는 중간에 있는 전기촉매로 이동해 산소를 환원시켜 과산화수소를 생산한다. 생산된 과산화수소는 불균일촉매로 이동하여 프로필렌을 산화하는 산화제로서 작용하여 프로필렌을 산화프로필렌으로 변환시킨다.
광촉매, 전기촉매, 불균일촉매 융합 시스템의 산화프로필렌 생산법가장 왼쪽에 있는 광촉매가 태양광 에너지를 받아 정공(h+)과 전자(e-)를 생성한다. 이때 광촉매 표면으로 이동한 정공(h+)이 물을 산화시켜 산소를 발생시키며, 전자(e-)는 중간에 있는 전기촉매로 이동해 산소를 환원시켜 과산화수소를 생산한다. 생산된 과산화수소는 불균일촉매로 이동하여 프로필렌을 산화하는 산화제로서 작용하여 프로필렌을 산화프로필렌으로 변환시킨다.

장지욱 교수는 “추가적인 외부전압과 값비싼 화합물 없이 태양광으로 작동하는 산화프로필렌 합성 시스템을 최초로 선보였다는 점에서 그 의미가 크다”라며 “광촉매 성능을 더 개선한다면 상업적으로도 더 큰 가치가 있을 것”이라고 설명했다.

곽자훈 교수는 “가장 풍부하고 값싼 산소를 사용해 산화프로필렌을 합성하는 촉매 기술은 석유화학 분야의 난제 중 하나”였다며 “그만큼 산업적으로도 파급력이 큰 연구”라고 설명했다.

주상훈 교수는 “이번 연구를 통해 산화프로필렌뿐만 아니라 다양한 화합물을 친환경적으로 생산할 수 있는 광전기화학 기술의 잠재력을 입증했다”고 설명했다.

이번 연구는 고묘화 UNIST 석박통합과정 대학원생, 김용선 UNIST 박사, 우진우 UNIST 박사가 공동 1저자로 참여하였다. 연구수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘중견연구자지원사업’, ‘미래소재디스커버리사업’, ‘선도연구센터사업(SRC)’ 그리고 포스코사이언스펠로쉽 과제 등의 지원 받아 이뤄졌다.


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