한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)이 이 두 촉매를 결합, 빛·공기만으로 작동하는 친환경 촉매 기술을 개발했다. 의약품 원료를 더 저렴하고 깨끗하게 생산할 수 있는 길이 열렸다.
KAIST는 한상우 화학과 교수팀이 서로 다른 두 종류 촉매를 하나로 결합하는 데 성공했다고 30일 밝혔다. 하나는 고체 상태에서 작동하는 은 기반 촉매고, 다른 하나는 용액 속에서 작용하는 유기 광촉매 'DDQ(빛을 받아 화학 반응을 일으키는 물질)'다. 연구팀은 이 두 촉매가 함께 작동하도록 구현해, 기존 어려웠던 반응을 더 효율적으로 수행할 수 있게 했다.
연구팀은 이 기술과 햇빛·공기만으로 의약품 핵심 원료인 '아민'을 친환경적으로 만들어내는 데 성공했다. 별도 추가 화학물질 없이 필요한 물질을 생산할 수 있음을 보였다.
기존 유기 광촉매 방식은 반응 후 촉매를 다시 사용하려면 추가 화학물질이 필요했고, 산소를 사용할 경우 반응 속도가 느려 효율이 떨어졌다.
연구팀은 이를 해결하고자 반응 과정에서 생기는 부산물을 다시 활용했다. 이 부산물이 촉매를 다시 사용할 수 있는 상태로 되돌리고, 공기 중 산소는 이 과정을 반복하도록 돕는다.
이로써 별도 화학물질 없이 촉매가 계속 작동하는 '순환형 촉매 시스템'을 완성했다. 특히 이 기술은 햇빛·공기만으로 반응이 진행된다. 햇빛은 촉매를 활성화해 반응을 개시하고, 공기는 사용된 촉매를 다시 사용할 수 있게 되돌린다. 촉매가 계속 '충전'되며 반복 작동하는 구조다. 공기는 물만을 남기기 때문에 환경 부담도 크게 줄일 수 있다.
또 연구팀은 서로 다른 촉매가 만나면 기능이 떨어지는 문제를 해결하기 위해 리튬염을 도입했다. 이 물질은 두 촉매가 서로 방해하지 않도록 조정하며, 촉매 안정성·수명을 크게 향상시켰다.
이번 연구는 서로 다른 촉매를 하나로 결합해 햇빛·공기만으로도 필요 화학물질을 생산할 수 있음을 보여준 사례다. 화학 공정에서 발생하는 탄소 배출과 환경 오염을 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다.
한상우 교수는 “서로 다른 촉매 시스템 장점만을 결합해 화학 산업 탄소 발자국을 획기적으로 줄일 수 있는 중요한 진전”이라며 “의약품 원료 등 고부가가치 화합물을 가장 친환경적인 방식으로 생산할 수 있는 새로운 길을 열었다”고 덧붙였다.
이번 연구는 백진욱 KAIST 화학과 연구원이 제1저자로 참여했고, 연구 결과는 미국화학회지에 3월 18일 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
