한국생산기술연구원이 서울대학교, 한국기술대학교와 함께 5-하이드록시메틸푸르푸랄(5-HMF)을 더 쉽고 안정적으로 생산할 수 있는 촉매기술을 개발했다.
HMF는 바이오매스를 고부가가치 화학소재로 전환하기 위해 사용하는 중간물질로, 연평균 9.5% 성장세를 보이며 2033년에는 전 세계 HMF 시장 규모가 25억 달러를 넘어설 것으로 전망되고 있다.
생기원은 저탄소전환연구부문 백자연 수석연구원과 서울대 재료공학부 한정우 교수, 한국기술교육대 에너지신소재화학공학과 김태용 교수 공동 연구팀은 HMF의 전환 효율과 안정성을 높일 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다.
HMF는 바이오매스에서 얻은 과당(Fructose), 포도당(Glucose) 등의 단당류 물질에 촉매를 이용해 제조한다.
과당은 고온에서 산성 촉매를 쓰면 쉽게 HMF로 바뀌지만, 반응 과정에서 국소적으로 급격하게 온도가 오르거나, 생성된 부산물이 촉매 표면을 막아 성능을 떨어뜨리는 문제가 있다.
공동 연구팀은 고온·장시간 반응에서도 과당을 안정적으로 HMF로 전환할 수 있는 새로운 고체산 촉매를 개발해 문제를 해결했다.
개발된 촉매는 ‘수계 자기 회복 메커니즘’을 갖춰 반응 중 생성된 물이 자발적으로 손상된 구조를 복원하기 때문에 고온에서도 장시간 활성화 가능하다.
실험 결과 72시간 연속 반응 시 기존 촉매의 HMF 전환 수율 57%보다 16% 높은 83% 수율을 안정적으로 유지했다.
포도당의 경우 반응성이 낮아 강한 산성 촉매를 써야 하는데, 반응 중 강산이 생성돼 장비를 부식시키고, 촉매 회수도 어려워 폐촉매 및 폐수 처리의 부담이 있다.
연구팀은 강한 산성 물질을 쓰지 않고도 포도당을 HMF로 전환시킬 수 있는 친환경 촉매를 개발해 장비 부식과 폐촉매 문제를 동시에 해결했다.
개발된 촉매는 반응 중 액상 상태로 균일하게 퍼져 포도당과 잘 섞이기 때문에, 기존 촉매보다 20%가량 높은 83.8% 수율로 HMF 전환이 가능하다.
또한 반응 후에는 고체로 변해 99% 이상 회수할 수 있고, 정제 과정 없이도 5회 재사용한 실험에서 HMF 수율 95% 수준을 유지했다.
연구팀은 특히 새로운 촉매를 활용한 실험 과정에서 포도당이 ‘2,5-안하이드로만노스(AHM)’라는 물질을 거쳐 HMF로 전환되는 반응 경로를 최초로 규명했다.
기존에는 포도당을 먼저 과당으로 바꾼 뒤 다시 HMF로 전환하는 두 단계 공정을 거쳐야 했다.
연구팀은 포도당에서 AHM이 형성되는 현상을 포착, 과당 전환 없이 단일 반응으로 HMF를 생산할 수 있는 새로운 경로를 밝혀내 공정 시간과 비용까지 줄일 수 있게 됐다.
생기원 백자연 수석연구원은 “개발된 촉매는 친환경적이면서도 높은 수율로 HMF를 얻을 수 있고 5회 이상 촉매 재사용도 가능하다”며 “후속 연구를 통해 친환경 바이오 플라스틱, 윤활유 등 부가가치 높은 응용 제품의 실증과 기술이전을 추진할 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구성과는 환경공학 분야 세계적 학술지 ‘Chemical Engineering Journal(2025년 3월, IF 13.2)’, ‘Applied Catalysis B: Environmental and Energy(2025년 6월 온라인판, IF 21.1)’에 각각 게재됐다.
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