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- 폐플라스틱 재활용 공정에서 외부 수소 대신 바이오매스로부터 얻을 수 있는 메탄올을 활용하여, 메탄올 수성 개질 반응을 통해 수소를 생산함과 동시에 플라스틱을 고부가가치 연료로 전환하는 촉매 기술 개발

- 저명 국제학술지 「앙게반테 케미 인터네셔널 에디션」논문 게재

서울과학기술대학교(총장 김동환, 이하 서울과기대) 화공생명공학과 청정에너지 및 환경 촉매 연구실(https://catalysis.seoultech.ac.kr, 노인수 교수, 이준성 학생, 권태은 학생)과 고려대학교 원왕연 교수, 한국화학연구원 강기혁 박사가 친환경적인 방식으로 폐플라스틱을 액체 연료로 전환하는 촉매 반응을 다룬 논문을 국제 저명 학술지‘Angewandte Chemie International Edition (IF = 16.1, JCR 상위5.8%)’에 논문을 게재하였으며, Important paper 및 Inside back cover로 선정되었다.

"Tandem Catalysis for Plastic Depolymerization: In Situ Hydrogen Generation via Methanol Aqueous Phase Reforming for Sustainable Polyethylene Hydrogenolysis”이라는 제목으로 발표된 본 논문은 플라스틱 수소분해 반응과 메탄올 수상 개질 반응을 하나의 통합 공정으로 연결하여, 외부 수소 공급 없이 플라스틱을 고부가가치 액체연료 및 윤활유로 전환하는 촉매 공정 기술을 제시했다.

특히, 비닐봉투, 음식 포장 용기 등에 주로 사용되어 사용주기가 짧은 폴리에틸렌계 폐플라스틱은 전체 폐플라스틱 발생량의 많은 양을 차지하지만, 기존까지 낮은 수율과 경제성으로 인해 재활용이 적절히 되지 못하는 문제점을 가지고 있었다. 본 연구팀은 폴리에틸렌계 폐플라스틱 업사이클링 공정에 외부 수소 대신 바이오매스로부터 유래할 수 있는 메탄올과 물을 사용함으로써 친환경적인 플라스틱 재활용의 새로운 가능성을 열었다.

메탄올 수성 개질 반응과 폴리에틸렌계 폐플라스틱 업사이클링의 통합 공정에서 다양한 촉매의 반응성 평가를 통해 Ru-Pt/TiO2 이중금속 촉매가 높은 활성을 나타내는 것을 확인하였으며, 반응 조건 최적화를 통해서 85.1%의 높은 PE 전환율과 81.0%의 액상연료 및 윤활유 선택도를 얻었다.

Ru-Pt/TiO2 촉매에서 Ru과 Pt 금속 비율을 조절함으로써 Ru 금속과 Pt 금속이 각각 폴리에틸렌 수소화분해와 메탄올 수성 개질 반응에 주된 역할을 하였음을 규명하였다.

다양한 실제 폐플라스틱(저밀도폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌)을 대상으로 실험을 수행한 결과, 부가가치가 높은 액체 연료의 생산성이 증가함을 확인하였다.

향후 연구팀은 친환경적인 다양한 플라스틱 업사이클링 기술 개발뿐 아니라, 더 나아가 혼합 폐플라스틱에 적용될 수 있는 귀금속 및 비귀금속 촉매를 연구할 계획이다.

본 연구는 서울과학기술대학교의 ST연구진흥 과제의 지원을 받아 수행되었다.

▲ 메탄올 수성 개질 반응과 폴리에틸렌 수소화 분해 반응의 통합 반응 모식도

▲ Angewandte Chemie International Edition에 개제된 Inside Back Cover