성균관대학교 김재훈 교수 연구팀과 한국과학기술연구원(KIST) 이동기 박사 연구팀이 목질계 바이오매스의 핵심 성분인 리그닌을 전기화학적으로 고부가가치 방향족 화합물과 사이클로헥센계 화합물로 전환하는 고효율 촉매 공정을 개발했다. 이번 연구는 외부 수소 가스를 사용하지 않고도 비교적 온화한 조건에서 리그닌의 난분해성 에테르 결합을 선택적으로 절단하고, 동시에 유용한 화학소재 전구체로 고도화할 수 있음을 입증한 성과다. 연구 결과는 Applied Catalysis B: Environment and Energy(IF 21.1, JCR 상위 2% 이내)에 2026년 2월 게재됐다.

최근 탄소중립과 지속가능 화학산업에 대한 관심이 높아지면서, 화석자원 기반 방향족 화학소재를 바이오매스 유래 물질로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그중 리그닌은 목질계 바이오매스에서 가장 탄소가 풍부한 성분으로 다양한 방향족 화합물의 잠재적 공급원으로 평가받지만, 복잡한 고분자 구조와 강한 C–O 및 C–C 결합 때문에 선택적 전환이 매우 어렵다. 특히 4–O–5 및 α–O–4 diaryl ether 결합은 기존에도 고온·고압 수소 분위기에서 분해가 시도돼 왔으나, 높은 에너지 소모와 낮은 선택성이 한계로 지적돼 왔다. 또한 기존 전기화학적 리그닌 분해 연구 역시 단량체 수율이 낮고 실제 리그닌 유래 생성물의 직접 확인이 충분하지 않았다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 5 wt% Pd/C 촉매를 활용한 전기환원 기반 리그닌 전환 전략을 제시했다. 이 공정은 물 전기분해 과정에서 촉매 표면에 형성되는 활성 수소를 이용해 리그닌의 에테르 결합을 절단하는 방식으로 작동한다. 즉, 별도의 외부 수소 공급 없이도 전기에너지 만으로 리그닌 분해와 후속 수소화 반응을 동시에 유도할 수 있으며, 전류밀도 조절을 통해 표면 흡착 수소의 양을 정밀하게 제어할 수 있다는 점이 특징이다. 연구팀은 이 방법을 4–O–5 및 α–O–4 결합을 대표하는 모델 화합물과 실제 자작나무 유래 리그닌 용해액에 모두 적용해 성능을 검증했다.

그 결과, 4–O–5 결합 모델 화합물인 diphenyl ether(DPE)와 phenyl tolyl ether(PTE)는 70℃, 50 mA cm⁻² 조건에서 90분 이내에 100% 전환되었고, α–O–4 결합 모델 화합물인 benzyl phenyl ether(BPE) 역시 30℃의 더 낮은 온도에서 완전 전환되었다. 생성물 측면에서도 높은 선택성이 확인됐다. DPE는 cyclohexanol 99.8%와 cyclohexane 85.2%를, PTE는 4-methyl cyclohexanol 99.5%와 methyl cyclohexane 95.6%를, BPE는 cyclohexanol 99.2%, toluene 51.8%, methyl cyclohexane 46.3%를 각각 나타냈다. 이는 리그닌의 에테르 결합 절단 이후 생성된 방향족 중간체가 다시 선택적으로 수소화되며 유용한 업그레이드 생성물로 이어진다는 점을 보여준다.

연구팀은 반응 효율을 높이는 최적 조건도 규명했다. 이소프로판올(IPA)을 공용매로 도입할 경우 반응물 용해도와 수소 전달 특성이 동시에 향상되었으며, 특히 30 wt% IPA 조건에서 DPE 전환율 100%와 Faradaic efficiency 70.2%를 달성했다. 또한 전류밀도는 50 mA cm⁻²에서 가장 우수한 성능을 보였고, 더 높은 전류밀도에서는 수소 발생 반응이 경쟁적으로 증가해 오히려 목표 반응 효율이 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 리그닌 전기화학 전환에서 공용매 조성과 전기화학 조건의 정밀 제어가 핵심이라는 점을 실험적으로 입증했다.

촉매 작동 원리에 대한 분석에서도 중요한 결과가 도출됐다. 연구팀은 Pd/C 촉매 내에서 PdO와 금속 Pd가 서로 다른 기능을 수행하는 이원적 메커니즘을 제시했다. PdO는 리그닌의 C–O 결합 절단을 주도하고, 이후 생성된 Pd⁰는 phenol과 benzene 같은 중간체를 cyclohexanol과 cyclohexane으로 수소화하는 역할을 담당했다. 실제로 Pd foil만 사용할 경우 DPE 전환율은 19.3%에 그쳤고, PdO만 사용할 경우 57.4% 수준에 머물렀지만, Pd/C에서는 가장 높은 활성과 선택성이 나타났다. 또한 Pd/C는 Pt/C, Ru/C, Ag/C, Ni/C보다 높은 전환 성능과 함께 가장 높은 TOF 468.0 h⁻¹를 기록했으며, 5회 재사용 후에도 DPE 전환율 95.0%를 유지해 촉매 내구성도 우수한 것으로 확인됐다.

연구팀은 나아가 이 기술을 실제 자작나무 바이오매스에 적용해 공정 확장 가능성도 확인했다. 먼저 메탄올 용매분해를 통해 탈리그닌도 81 wt%를 달성했지만, 이 단계에서의 리그닌 유래 페놀성 단량체 수율은 5.0 C%에 머물렀다. 이후 Pd/C 기반 전기화학 공정을 추가 적용한 결과, 강산성 조건에서는 중합이 빠르게 진행되어 효율이 제한되었으나, 보다 완만한 0.5 M acetate buffer(pH≈5)로 전환하자 단량체 수율이 1시간 후 13.6 C%, 4시간 후 19.6 C%까지 증가했다. 특히 4-n-propanol syringol에 대해 41.6%의 높은 선택성을 보였으며, GC×GC–TOF/MS 분석에서는 4-n-propyl syringol, 4-n-propyl guaiacol, 4-n-propanol guaiacol, syringylacetone 등 다양한 단량체 생성물이 확인됐다.

이번 연구는 기존의 고온·고압 수소화 기반 리그닌 업그레이딩 공정과 달리, 전기만으로 리그닌의 난분해 결합을 선택적으로 끊고 동시에 고부가가치 화합물로 전환할 수 있는 새로운 바이오리파이너리 플랫폼을 제시했다는 점에서 의의가 크다. 특히 외부 수소 없이 진행되는 온화한 공정 조건, 실제 목질계 바이오매스 적용 가능성, 그리고 PdO/Pd⁰의 기능 분담 메커니즘 규명까지 함께 제시함으로써 향후 지속가능 화학소재 생산과 바이오연료 전구체 제조를 위한 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.

※논문명: Highly efficient electro-reductive conversion of lignin into aromatics and cyclohexenes

※학술지: Applied Catalysis B: Environment and Energy

※논문링크: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125851

※저자정보: 제1저자 Neha Karanwal, 공동저자 김서연, Yasora Liyanage, 교신저자 이동기, 김재훈

※연구포털(PURE): https://pure.skku.edu/en/persons/jaehoon-kim/

리그닌으로부터 재생전력 기반 e-biorefinery를 활용한 유용성분 생산 개념도

Pd/C 촉매 기반 전기화학 공정을 통해 리그닌 모델 화합물의 난분해성 C–O 결합을 선택적으로 절단하고, 이를 유용한 화합물로 전환하는 반응 원리