울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과는 외부 에너지 없이 친환경적으로 프로필렌 옥사이드를 생산하는 자가 구동 시스템을 개발했다고 23일 밝혔다.

곽자훈·장지욱 교수, 조성준 전남대학교 교수 연구팀이 개발한 이 시스템은 자체 생산한 과산화수소로 프로필렌 옥사이드를 만든다. 프로필렌 옥사이드는 소파·매트리스의 재료인 폴리우레탄, 옷감과 생수병에 쓰이는 폴리에스터 등 일상 소재 생산의 핵심 원료다.

이 시스템은 산소와 포름알데히드의 전기화학 반응을 활용한다. 두 반응의 에너지 높낮이 차를 이용해 외부 전기나 태양광 없이도 자발적으로 작동하는 것이 특징이다. 상용 과산화수소 생산 공정과 달리 오염 물질이나 탄소 배출 없이 과산화수소를 현장에서 직접 만들어 사용할 수 있다.

연구팀은 제올라이트 기반 촉매(TS-1)가 염기성 환경에서 활성이 떨어지는 기존 문제를 해결했다. 과산화수소 생산에 필수적인 염기성 조건에서도 촉매가 효과적으로 작동하도록 구조를 새롭게 설계해 생산성을 대폭 향상시켰다.

개발된 시스템은 24시간 동안 1㎠ 기준으로 1657마이크로몰의 프로필렌 옥사이드를 생산했다. 이는 기존 친환경 과산화수소 기반 생산 공정보다 약 8배 높은 수치다. 공정 중에는 청정에너지 자원인 수소도 함께 생산된다.

경제성 분석 결과, 이 시스템은 현재 상용화된 생산 방식보다 프로필렌 옥사이드 생산 단가를 약 8% 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 복잡한 전처리 과정이나 고온·고압 장비가 필요 없고, 과산화수소를 현장에서 직접 생산해 운송과 저장비용까지 줄일 수 있기 때문이다.

장지욱 교수는 "필요한 곳에 바로 설치해 쓸 수 있는 모듈 단위 공정으로 소규모 현장 맞춤형 생산이 가능해져 대규모 중앙집중식 생산에서 분산형 생산 체계로의 전환을 촉진할 수 있을 것"이라고 말했다.

곽자훈 교수는 "기존 제올라이트 촉매의 오랜 기술적 한계를 단계적으로 극복한 사례"라며 "화학 산업을 지금보다 훨씬 친환경적이고 지속 가능하게 만드는 중요한 발판이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 STEAM 연구 사업과 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 9월 30일 온라인 공개됐다.