경상국립대 최명룡 교수 연구팀, 버려진 PET에서 화학원료 회수하는 레이저 단일원자 촉매 개발

경상국립대 자연과학대학 화학과 최명룡 교수 연구팀이 이산화탄소(CO₂) 레이저로 니켈 산화물(NiO) 표면에 루테늄(Ru) 단일원자를 고정한 촉매(Ru–SA/NiO)를 개발해, 폐PET에서 나온 에틸렌글리콜(EG)을 고부가가치 화학원료인 포름산염으로 86.37%의 패러데이 효율(투입한 전기가 목표 생성물 생성에 쓰인 비율)로 바꾸는 데 성공하고, 이 과정에서 탄소–탄소(C–C) 결합이 선택적으로 끊어지는 원리까지 규명했다.

음료 용기와 포장재, 섬유 등에 널리 쓰이는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 사용량이 계속 늘면서 폐기물 처리와 재활용이 과제로 꼽힌다. 폐PET를 화학적으로 분해하면 테레프탈산(TPA)과 에틸렌글리콜(EG)이 나오는데, 에틸렌글리콜은 물에 잘 녹고 끓는점이 높아 따로 분리해 회수하기가 까다롭다.

연구팀은 에틸렌글리콜을 분리하지 않고 전기화학 반응으로 곧바로 유용한 화학원료로 바꾸는 방법에 주목했다. 마이크로파 공정으로 만든 니켈 산화물 나노시트에 이산화탄소 레이저를 쏘아 루테늄 단일원자를 고정한 촉매를 만든 것이다. 레이저를 쬘 때 생기는 산소 결함이 루테늄 원자를 단단히 붙잡고, 루테늄과 니켈 산화물 사이의 전자 이동을 도와 촉매의 반응성을 높이는 것으로 확인됐다.

이 촉매는 에틸렌글리콜 산화반응(EGOR)에서 86.37%의 패러데이 효율과 0.18 mmol h⁻¹ cm⁻²의 포름산염 생성 속도를 기록했고, 300시간 동안 성능을 유지했다.

반응 원리도 밝혔다. 연구팀은 X선 광전자 분광법(XPS), X선 흡수 분광법(XAS), 투과전자현미경(TEM) 분석으로 루테늄이 니켈 산화물 표면에 단일원자 상태로 퍼져 있고, 두 물질 사이의 강한 상호작용이 촉매의 전자구조를 바꾼다는 점을 확인했다. 여기에 비행시간형 이차이온 질량분석법(TOF-SIMS)과 오비트랩 이차이온 질량분석법(Orbitrap-SIMS)을 결합한 하이브리드 이차이온 질량분석법(Hybrid-SIMS)을 적용해, 반응 뒤 촉매 표면에 남은 주요 중간체를 정밀 분석했다. 이를 실시간 분광 분석, 밀도범함수이론(DFT) 계산과 맞춰 본 결과, 에틸렌글리콜의 산소–수소(O–H), 탄소–수소(C–H) 결합이 차례로 활성화된 뒤 탄소–탄소(C–C) 결합이 선택적으로 끊어져 포름산염이 만들어지는 경로가 드러났다. 촉매 표면의 복잡한 반응을 원자 수준에서 들여다보고 선택성을 제어하는 데 쓸 수 있는 근거를 확보한 셈이다.

실제 폐PET 적용 가능성도 확인했다. 폐PET를 알칼리 용액에서 분해한 용액을 그대로 전기화학 반응에 사용해도 에틸렌글리콜이 선택적으로 산화됐고, 장시간 반응 뒤에도 촉매 활성과 생성물 선택성이 유지됐다. 반응 후에는 테레프탈산(TPA)과 디포름산칼륨(KDF)을 각각 96.1%, 96.7%의 수율로 회수했다. 회수한 테레프탈산은 플라스틱 재합성 원료로, 디포름산칼륨은 여러 산업 분야의 화학원료로 쓸 수 있다. 기술경제성 분석에서는 폐PET 1톤을 처리할 때 약 380.7달러의 순이익이 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 이번 성과는 폐플라스틱을 고부가가치 화학원료로 바꾸는 자원화 기술의 학술적·기술적 기반이 될 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 'Hybrid-Secondary Ion Mass Spectrometry Probes Atomic-Scale Insight Into Selective C─C Bond Cleavage in PET Upcycling'이라는 제목으로 와일리(Wiley)가 발행하는 화학 분야 국제학술지 《Angewandte Chemie International Edition》(IF 17.6, JCR 화학·다학제 분야 상위 6.2%, 2025 JCR 기준)에 커버 논문으로 게재됐다. 또한 이번 성과는 교육부 기초과학연구역량강화사업 재원으로 한국기초과학지원연구원(KBSI) 국가연구시설장비진흥센터(NFEC)의 지원을 받아 수행됐다.