화학공학부 김진웅 교수 연구팀은 경희대학교 박범준 교수팀 및 (주)코스모코스와 공동 연구로 진행하여 나노셀룰로오스 기반 고효율 촉매 시스템의 핵심 메커니즘을 규명하고 친환경 석유화학 촉매로서의 활용 가능성을 제시하였다.

석유화학 산업의 중요 공정인 탈황 과정은 전통적으로 고온·고압 조건과 다량의 산화제 사용으로 에너지 소비와 환경 오염 문제를 야기해왔다. 본 연구팀은 이러한 문제의 해결책으로 재생 가능한 바이오 소재인 나노셀룰로오스를 활용, 전하 기반 자가 조립 나노메쉬 구조체를 개발했다. 이 구조체는 자기회합을 통해 에멀젼 마이크로반응기로 작용하여 환경 친화적이고 효율적인 탈황 반응을 가능하게 한다.

본 연구팀이 규명한 기술의 핵심 원리는 에멀젼 계면이 자연적으로 형성하는 음전하(약 -0.3 C/m²)와 양이온성 나노셀룰로오스(HNC+)의 강력한 정전기적 흡착에 있다. 분자 수준에서 발생하는 이 현상은 약 -1,200 kBT에 달하는 강한 흡착 에너지를 발생시켜, HNC+가 에멀젼 계면에 자발적으로 그물망 구조로 안정적인 나노메쉬를 형성하게 한다. 이 구조는 기존 계면 유화 시스템보다 뛰어난 구조적, 화학적 안정성을 제공한다.

나노메쉬 구조는 약 34nm 크기의 균일한 기공을 통해 반응물과 산화제의 선택적 이상 확산을 촉진하고, 에멀젼 계면의 말단 양전하기와 산화제가 형성한 촉매 복합체가 산화 반응을 활성화시켜 95% 이상의 탈황 촉매 활성도를 달성했다. 특히 주목할 점은 이 에멀젼 마이크로반응기가 극한 조건(pH 2~13, 1.8M NaCl의 고염 농도, 90°C의 고온)에서도 변형 없이 유지되며, 반복적인 반응 후에도 성능이 유지되는 우수한 내구성과 재사용성을 보인다는 것이다.

김진웅 교수는 ‘천연유래 나노셀룰로오스 계면촉매공학 기술을 활용해 개발한 고안정성 에멀젼 마이크로반응기는 고온·고압·고비용에 의존하던 기존 촉매 시스템의 한계를 극복할 수 있는 혁신적 전환점’이라고 평가했다. 그는 이어 ‘이번 연구 성과는 환경 부담을 최소화하는 친환경 공정과 지속 가능한 화학 산업 발전의 기반 기술로 활용될 것’이라고 전망했다.”

이 기술은 (주)코스모코스와 공동으로 특허(출원번호: R-2023-0964-KR-1)를 출원했으며, 향후 화장품, 약물 전달, 기능성 코팅 등 다양한 산업 분야에서도 친환경 생분해성 유화제 기술로 확장될 가능성을 보여주고 있다.

이번 연구는 INNOPOLIS 재단 및 한국연구재단(NRF)의 지원으로 수행되었으며, 재료 과학 분야 세계적 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, IF: 27.4)에 2025년 3월 18일 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Charge-Directed Nanocellulose Assembly for Interfacial Phase-Transfer Catalysis

※ 저자명: 신재원(제1저자, 성균관대학교), 서복기(성균관대학교), 최경호(성균관대학교), 박다애(코스모코스), 이희정(코스모코스), 신대현(코스모코스), 박범준 교수(교신저자, 경희대학교), 김진웅 교수(교신저자, 성균관대학교)

※ 저널: Advanced Materials

※ 논문 링크: doi.org/10.1002/adma.202418325