포스트 페트(PET)병‘친환경 플라스틱 페프(PEF)’촉매 개발

한국화학연구원, 바이오플라스틱 PEF 주요 원료 ‘2,5-FDCA’ 생산 촉매 개발
키토산 바이오매스서 유래… 친환경성·경제성 두루 갖춰

한국화학연구원 차현길·황성연 박사의 바이오플라스틱 PEF 원료 생산 촉매개발 연구 논문인 ‘Carbon Support with Tunable Porosity Prepared by Carbonizing Chitosan for Catalytic Oxidation of 5-Hydroxylmethylfurfural’이 ACS Sustainable Chemistry&Engineering 2월호 표지논문을 장식했다.

한국화학연구원 바이오화학연구센터 연구진. 황성연 바이오화학연구센터장(왼쪽 첫번째), 차현길 박사(오른쪽 첫번째).

플라스틱 문제로 전 세계가 몸살을 앓고 있는 가운데, 국내 연구진이 포스트 페트(PET)병으로 불리는 바이오플라스틱 ‘페프(PEF)’의 원료를 생산하는 촉매를 개발했다.

한국화학연구원 차현길·황성연 박사 연구팀은 바이오플라스틱 PEF의 원료인 2,5-FDCA를 생산하는 촉매개발에 성공했다.

PEF는 식물자원을 원료로 제조되는 바이오플라스틱으로, 2020년 시장에 진입해 석유 플라스틱의 대명사인 PET를 점차적으로 대체할 것으로 예상된다.

유럽바이오플라스틱과 노바연구소의 2017년 바이오플라스틱 전 세계 생산량 자료에 따르면, 2017년 PEF(Polyethylene furandicarboxylate) 생산량은 0%이나, 2020년에는 시장에 진입해 PET를 점차적으로 대체할 것으로 전망됐다.

특히 바이오플라스틱 PEF는 석유 플라스틱 PET와 같은 수준의 장벽특성(가스투과성)과 열적특성을 가지고 있어 탄산음료용기나 식품 포장재 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

PEF는 에틸렌글리콜과 2,5-FDCA(2,5-Furandicarboxylic acid)를 합성해 만들어지는데, 주요원료인 2,5-FDCA를 얻는 게 쉽지 않았다. 보통 2,5-FDCA는 목재에서 유래한 물질인 5-HMF(Hydroxymethylfurfural)를 변환해 얻을 수 있다.

하지만 5-HMF은 2,5-FDCA 이외에도 여러 부산물로 변환될 수 있어서, 전 세계적으로 2,5-FDCA만 선택적으로 만들 수 있는 촉매연구가 경쟁적으로 이뤄지고 있었다.

이러한 가운데 한국화학연구원 연구진이 5-HMF을 2,5-FDCA로만 변환할 수 있는 촉매기술을 개발한 것이다. 연구진은 키토산 바이오매스에서 유래한 탄소 기반의 지지체에 금속입자를 결합시켜 분말 형태의 촉매를 개발했다.

키토산 바이오매스는 키토산을 함유한 천연물질로, 게와 새우 등 갑각류의 껍데기로부터 유래한 바이오매스를 말한다.

이번에 개발된 키토산 유래 촉매는 고성능액체크로마토그래피로 확인한 결과, 전환효율이 110℃ 기준에서 99%에 달하며, 촉매를 사용한 후 회수해 재사용할 수 있을 만큼 성능이 우수하다.

또 키토산 유래 촉매는 기존 촉매와 비교해 경제성과 친환경성도 두루 갖췄다. 기존의 금이나 납 촉매가 가격이 비싸거나 유해한 물질로 만들어진 반면에 키토산 유래 촉매는 버려지는 키토산 바이오매스를 활용해 귀금속 물질의 사용량을 획기적으로 줄이면서도 전환효율이 높기 때문이다.

이에 대해 한국화학연구원 차현길 박사는 “바이오매스 폐자원을 활용해 제조할 수 있는 새로운 연구 아이디어를 제시하면서도 상업화가 충분히 가능하다”면서 “친환경 바이오플라스틱 생산을 통해 플라스틱 폐기물 저감에도 기여할 수 있을 것”이라고 내다봤다.

이번 연구결과는 촉매화학 분야 권위지‘미국화학회 지속가능 화학 및 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry&Engineering(IF:6.140))’2월호의 표지논문으로 게재됐다.

이번 성과는 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업 및 한국화학연구원의 주요사업 지원을 받아 수행됐다.

[e-mail] 조석장 기자