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우리 대학 화공생명공학과 청정에너지 및 환경 촉매 연구실(https://catalysis.seoultech.ac.kr, 노인수 교수, 권태은 학생 (서울과학기술대학교 소속))과 고려대학교 원왕연 교수, 안병찬 학생 (고려대학교 소속), 한국화학연구원 강기혁 박사가 폐플라스틱을 부가가치 높은 액체 연료로 전환하는 촉매 반응을 다룬 논문을 국제 저명 학술지‘Nature Communications (IF = 14.7, JCR 상위5.6%)’에 논문을 게재하였다.

▲ (왼쪽부터) 서울과학기술대학교 노인수 교수, 권태은 학생, 고려대학교 원왕연 교수, 안병찬 학생, 한국화학연구원 강기혁 박사

현재 전 세계 플라스틱 생산량은 약 4억 톤에 이르지만, 그중 매립(75%) 및 소각(14%)으로 처리되는 양이 대부분이며 재활용률은 11%에 불과하다. “Unraveling the Role of Water in Mechanism Changes for Economically Viable Catalytic Plastic Upcycling”이라는 제목으로 발표된 본 논문은 환경오염의 주요 원인인 폐플라스틱으로부터 가솔린 및 디젤 같은 고부가가치 연료를 선택적으로 생산하기 위한 촉매 공정 기술을 제시했다.

특히, 포장 용기, 비닐 등에 주로 사용되어 짧은 사용주기를 지닌 폴리올레핀계 폐플라스틱은 전체 폐플라스틱 발생량의 약 55%를 차지하지만, 기존까지 낮은 수율과 경제성으로 인해 재활용이 적절히 되지 못하는 문제점을 가지고 있었다. 본 연구팀은 폴리올레핀계 폐플라스틱 업사이클링 공정에 물을 첨가함으로써 촉매 반응성을 향상시키는 기술을 개발하여 플라스틱 재활용의 새로운 가능성을 열었다.

▲ 새로 규명된 폴리에틸렌계 플라스틱 촉매 업사이클 (가운데, 보라색) 반응 매커니즘

교신저자인 노인수 교수 연구팀은 이전에도 폴리올레핀계 폐플라스틱 업사이클링 공정의 효율을 높이기 위하여 다양한 촉매를 개발하여 저명한 학술지에 논문을 게재한 바 있으며, 본 연구에서는 현재까지 밝혀지지 않았던 폴리올레핀계 폐플라스틱 업사이클링 공정에서 물의 역할을 규명하였다.

리올레핀계 폐플라스틱 업사이클링 공정에서 브뢴스테드 산 부위가 포함된 Ru/Zeolite-Y 촉매에서 물이 촉매 반응성을 향상시킨다는 사실을 밝혀냈으며, 물 첨가 시 반응에서 생기는 탄소 침적 (코킹) 현상을 방지하여 촉매의 반응 안정성을 향상시키는 것 또한 밝혀냈다.

다양한 실제 폐플라스틱(폴리에틸렌, 폴리프로필렌)을 대상으로 실험을 수행한 결과, 물 첨가를 통해 반응성이 향상되고 부가가치가 높은 액체 연료의 생산성이 증가함을 확인하였다.

▲ 새로 규명된 폴리에틸렌 플라스틱 촉매 반응 매커니즘

또한, 고려대학교 원왕연 교수 연구팀과 협력하여 기술 경제성(TEA) 및 환경성(LCA) 분석을 수행한 결과, 이 공정이 기존 화석 연료 기반 생산 공정을 대체함으로써 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 아울러, 물 첨가로 인해 향상된 반응성은 경제적으로 실현할 수 있는 공정 개발로 이어질 수 있음을 확인하였다.

향후 연구팀은 폴리에틸렌계 플라스틱 업사이클링뿐 아니라 다른 종류, 더 나아가 혼합 폐플라스틱에 적용될 수 있는 촉매를 연구할 계획이다.

본 연구는 한국연구재단과 한국환경산업기술원, 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행되었다.

www.nature.com/articles/s41467-024-54495-5