바이오매스 선택적 전환을 위한 광·전기화학 기초연구실

13시간 전

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리그닌의 결합을 이해하고, 재생 탄소자원을 고부가가치 화합물과 수소로 전환한다

한양대학교 ERICA 바이오매스 선택적 전환을 위한 광·전기화학 기초연구실

버려지는 리그닌에서 새로운 화학의 가능성을 찾다

한양대학교 ERICA의 ‘바이오매스 선택적 전환을 위한 광·전기화학 기초연구실’은 식물성 바이오매스의 주요 구성성분인 리그닌을 고부가가치 화합물과 수소로 전환하기 위한 기초연구를 수행한다. 연구의 핵심은 리 그닌의 복잡한 결합을 원하는 방향으로 끊고, 그 과정에서 전자와 에너지가 어떻게 이동하는지를 이해하는 데 있다. 이를 위해 금속 나노촉매, 유기합성, 실시간 핵자기공명 분석, 계산화학과 인공지능을 하나의 연구체계로 연결하여 선택적 전환의 반응 원리를 규명하고자 한다. 리그닌은 셀룰로오스 다음으로 풍부한 천연 고분자이며 방향족 화합물을 얻을 수 있는 중요한 재생 탄소자원이다. 그러나 다양한 탄소-탄소(C–C) 및 탄소-산소(C–O) 결합이 불규칙하게 연결되어 있어 원하는 결합만 선택적으로 분해하기 어렵다. 기존의 열적·생물학적·화학적 전환법은 높은 에너지 소모, 낮은 선택성, 복잡한 반응경로 등의 한계를 갖는다. 광·전기화학은 빛과 전위를 이용해 반응에 필요한 에너지를 공급하고 전하이동을 조절할 수 있다는 점에서 새로운 대안이 될 수 있다.

본 연구실은 촉매 활성점, 전하이동, 결합 절단 및 생성물 선택성 사이의 관계를 밝히고 이를 실제 바이오 매스 전환으로 확장하는 것을 목표로 한다. 이 과정에서 중요한 것은 특정 촉매의 성능 수치 자체보다, 어떤 구 조적 요소와 반응조건이 선택성을 결정하는지를 설명할 수 있는 일반화된 원리를 확보하는 것이다.

촉매와 모델 화합물을 이용해 선택적 전환의 원리를 밝히다

연구실은 광·전기화학 촉매의 구조와 조성을 제어하고 전자전달 매개체를 활용하여 리그닌 유래 화합물의 선택적 산화·환원 반응을 연구한다. 금속 나노입자와 나노구조체, 탄소 및 산화물 지지체를 조합하여 광흡수와 전하분리, 계면 전자전달을 조절하고, 빛과 전위 조건에 따라 결합 절단과 생성물 선택성이 어떻게 달라지는지 비교한다. 목표는 단순히 높은 전환율을 얻는 것이 아니라 원하는 결합을 선택적으로 절단하여 특정 생성물의 형 성을 제어하는 데 있다. 선행 연구에서는 리그닌 모델 화합물 전환에서 산화매개체 ACT (4-Acetamido TEMPO)를 사용했을 때 상온·상압의 낮은 인가전압 조건에서 92%의 전환율을 확인하였으며, ACT를 사용하 지 않은 경우에는 2%에 그쳤다. 이는 해당 조건에서 산화매개체가 전환 반응에 중요한 역할을 한다는 것을 보 여준다. 특히 산화매개체는 전극에서 생성된 산화종이 유기분자와 반응한 뒤 다시 전극에서 재생되는 과정을 이 용함으로써, 직접 전자전달만으로는 접근하기 어려운 반응경로를 가능하게 할 수 있다. 실제 리그닌은 원료와 전처리 조건에 따라 구조가 달라 반응경로를 직접 해석하기 어렵다. 이를 해결하기 위해 β-O-4, β-5, 5-5 등

대표 결합을 모사한 구조가 명확한 모델 화합물 라이브러리를 구축한다. 모델 화합물은 서로 다른 촉매와 반응 조건을 비교할 수 있는 공통 기준이 되며, 구조적 복잡성을 단계적으로 높여가면서 결합별 반응성과 선택성을 체 계적으로 조사할 수 있다. 연구진은 유기 광산화환원 촉매와 유기금속 착화합물도 설계·합성하여 전자 및 수소 전달 과정을 조절하고, 탄소-산소 및 탄소-탄소 결합 절단에 유리한 조건을 탐색한다. 궁극적으로는 모델 화합 물에서 얻은 결합별 반응성과 선택성 데이터를 실제 바이오매스 유래 리그닌으로 확장하여 고부가가치화에 필 요한 조건을 도출하고자 한다.

흐름 핵자기공명으로 반응 중 일어나는 변화를 추적하다

선택적 전환의 핵심은 최종 생성물뿐 아니라 반응 중 생성되고 사라지는 중간체를 확인하는 데 있다. 본 연 구실은 흐름 핵자기공명(Flow NMR) 기반의 실시간 분석체계를 구축하여 광·전기화학 반응과 화학종 분석을 연 결한다. 반응액을 분석장치로 순환시키면서 시간에 따른 스펙트럼 변화를 관찰하고, 반응물의 감소, 중간체의 생 성·소멸, 생성물의 형성을 연속적으로 추적하는 것이 목표다.

연구진은 이차원 핵자기공명과 확산계수 기반 분석을 이용하여 리그닌 모델 화합물의 결합 분해와 생성물 구조를 분석해 왔다. 향후 이러한 분석 역량을 흐름 반응계와 결합하면 최종 생성물 분석만으로는 구별하기 어려 운 경쟁 반응경로를 검토할 수 있다. 시간분해 데이터는 각 화학종이 언제 나타나고 사라지는지를 보여주므로 반 응속도와 중간체의 거동을 이해하는 데도 유용하다. 이를 통해 촉매와 반응 조건에 따른 선택성 차이를 설명하고, 계산화학에서 제안한 중간체와 반응경로를 실험적으로 검증할 계획이다.

계산화학과 인공지능으로 실험 결과를 연결하다

실험에서 관찰한 반응성과 선택성을 분자 수준에서 설명하기 위해 계산화학을 함께 활용한다. 밀도범함수 이론(DFT) 계산을 통해 촉매 표면의 전자구조, 반응물과 중간체의 흡착, 반응경로의 에너지 변화를 분석하고 이 를 실험 결과와 비교한다. 연구진은 촉매의 결정성과 표면구조에 따른 반응성을 계산적으로 해석한 경험을 바탕 으로 이를 리그닌 유래 화합물의 전환과 촉매 설계로 확장하고자 한다. 계산은 실험을 대체하기보다 검증해야 할 가설을 좁히는 역할을 한다. 촉매 조성·표면구조, 반응 조건, 생성물 분포와 계산 결과를 통합적으로 축적하고, 인공지능 기반 데이터 분석을 통해 성능에 영향을 주는 핵심 인자를 찾는다. 이를 바탕으로 새로운 촉매 후보와 반응 조건을 제안하고 다시 실험으로 검증하는 순환형 연구체계를 구축한다. 계산으로 예측한 활성점과 에너지 장벽은 실제 촉매의 구조분석과 반응 실험을 통해 검증하며, 차이가 나타날 경우 이를 새로운 가설과 재설계의 출발점으로 활용한다.

분야 간 융합을 통해 지속 가능한 전환 시스템으로

본 기초연구실은 이승현 교수를 연구책임자로 하여 민선준, 이영복, 김병현 교수와 미국 뉴욕주립대학교 환경과학·임업대학(SUNY-ESF)의 Gyu Leem 교수 연구팀이 참여한다. 이승현 교수팀은 광·전기화학 촉매와 전환 시스템, 민선준 교수팀은 유기촉매와 리그닌 모델 화합물 합성, 이영복 교수팀은 핵자기공명 기반 실시간 분석, 김병현 교수팀은 계산화학 및 인공지능 기반 설계를 담당하며, Gyu Leem 교수팀은 바이오매스 전환과 수소 생산 분야의 국제 공동연구를 수행한다. 각 연구팀은 공동 가설·공동 시료·공동 데이터를 중심으로 합성, 분 석, 계산, 시스템 연구를 연결한다. 1년차에는 촉매와 모델 화합물 기반을 확립하고, 2년차에는 바이오매스 분 해와 수소 생산의 유효성을 검증·최적화하며, 3년차에는 안정성과 효율을 평가하여 시스템을 고도화한다. 이를 통해 리그닌의 구조, 촉매 활성점, 전자전달, 결합 절단과 생성물 선택성 사이의 관계를 이해하고, 바이오매스 기 반 고부가가치 화합물과 수소 생산을 위한 기초과학적 기반을 마련하고자 한다.

바이오매스 선택적 전환을 위한 광·전기화학 기초연구실

Basic Research Laboratory for Chemoselective Biomass Conversion via Photo/Electrochemical System

이승현 연구책임자

바이오매스 선택적 전환을 위한 광·전기화학 기초연구실

한양대학교 ERICA 에너지바이오학과 교수

광· 전기화학 촉매 나노구조체· 전환 시스템

연구책임자인 한양대학교 ERICA 캠퍼스 에너지바이오학과의 이승현 교수는 금속 나노입자 및 나노구조체의 합성과 응용을 기반으로 광·전기화학 촉매와 에너지 전환 분야의 연구를 수행해 왔다. 다양한 연구과제를 통해 금속 나노소재의 광학적·전기화학적 특성을 규명하고, 이를 센서와 에너지 변환용 촉매로 확장해 온 경험을 바 탕으로 본 글로벌 기초연구실을 이끌고 있다. 본 연구실은 참여 연구진의 분야별 전문성을 유기적으로 연계하고, 공동의 연구 가설 수립과 데이터 생산·해석을 중심으로 융합 연구 체계를 운영한다.

■ 공동연구진