부산대학교 화학공학·고분자공학과 김일 교수 연구팀이 값싼 벤젠으로부터 다공성 나노캡슐을 손쉽게 제조하는 기술을 새롭게 개발했다고 합니다. 연구팀은 균일한 다공성을 가진 이 유기 나노소재를 황산으로 기능화함으로써 다양한 식물유와 폐식용유로부터 바이오디젤을 90% 이상의 효율로 제조하는 방법을 제시했습니다. 오염이 적은 바이오디젤의 생산성 혁신의 길이 열린 겁니다. 해당 연구는 <Green Chemistry>에 게재됐습니다.
바이오디젤, 환경엔 좋지만 경제성 낮았다
식물성 기름을 원료로 해서 만든 연료인 바이오디젤은 경유와 달리 약 10%의 산소를 함유하고 있어 연소과정에서 완전 연소가 일어나 경유보다 대기 오염 물질이 40~60% 이상 적게 배출되는 신재생 에너지원입니다. 하지만 종래의 산 촉매와 염기 촉매를 사용하는 경우 효율이 떨어지고 제조 후 촉매를 제거하기가 쉽지 않을 뿐만 아니라 재생 사용도 불가능했습니다. 또한 모든 생산 설비를 내부식성 재료를 사용해야 해서 경제성이 낮았습니다.
때문에 생산 효율이 높고 재활용이 가능한 고체 촉매의 개발로 석유로부터 얻은 디젤과 경쟁할 수 있는 공정의 개발이 절실해 왔습니다. 하지만 복잡하게 설계된 고체 촉매를 사용하는 경우 제조과정이 까다롭고 고체 촉매에 결합시킨 작용기가 반응과정에서 없어져 여러 차례 재활용하는 것이 어려웠습니다.
참고로 작용기란 유기화합물의 반응 특성이나 성질을 결정하는 특정 원자단이나 구조를 말합니다. 반응 전후 작용기의 변환이 일어나 화합물의 성질이 바뀝니다. 바이오디젤의 생산과정에서는 산과 염기 성질을 가진 작용기를 결합시킵니다.
경제성· 효율 ↑, 대량생산도 가능하게 하는 방법
이에 연구진은 흔히 알려진 산-염기 반응을 이용함으로써 값싼 벤젠 유도체를 원하는 방향으로 중합(polymerization)하는 방법을 찾아냈습니다. 특히 구조가 매우 균일한 다공성 나노캡슐, 나노튜브, 나노시트를 동시에 대량생산할 수 있게 됐습니다. 실제 이렇게 만든 다공성 나노캡슐의 넓은 표면에 원하는 작용기를 화학적으로 결합할 수 있어 90% 이상의 효율로 바이오디젤을 생산하고 목재의 주성분인 셀룰로오스로부터 포도당을 제조하는 효율적인 촉매로 쓸 수 있었습니다.
이 다공성 카본소재의 경우 매우 안정적이어서 반응과정에서 작용기가 없어지는 일도 발생하지 않아 효율의 손실 없이 최소 5회 이상 재활용할 수 있는 경제성도 갖추고 있습니다. 특히 매우 안정된 구조로 섭씨 800도 이상으로 소성(燒成)한 후에도 원래 모양을 유지하는 장점이 있습니다. 향후 각종 촉매는 물론 연료전지, 커패시터, 리튬이온전지, 트랜지스터, 항공우주 및 자동차용 복합재료와 약물전달시스템, 바이오센서 등에 쓰일 수 있는 실마리가 될 것으로 기대됩니다.
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