서울대 류재윤 교수팀, 산소와 전기로 플라스틱 원료 합성 효율 높이는 '국소 pH 제어' 기술 개발

노형석 기자

작성일 2026-09-30 08:22

서울대학교 공과대학 화학생물공학부 류재윤 교수 연구팀이 산소와 전기를 이용한 유기 화합물 합성의 효율과 선택성을 높이는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 전극 주변의 산성도, 즉 '국소 pH'를 제어하는 것이 핵심이다.

연구팀은 과산화물 산화제를 별도로 사용하지 않고 플라스틱 및 정밀화학 소재의 원료인 락톤과 에폭사이드를 합성하는 데 성공했다. 특히 전극 간격과 전해액의 흐름을 조절하는 반응기 설계를 통해 목표 생성물의 선택성을 기존 약 16%에서 97%까지 획기적으로 향상시켰다.

이번 연구는 국제학술지 ‘Journal of the American Chemical Society(JACS)’에 게재되었다. 락톤은 생분해성 플라스틱과 폴리우레탄의 원료로, 에폭사이드는 접착제, 코팅재, 전자소재용 에폭시 수지의 기본 원료로 사용된다. 이들 물질은 의약품 및 정밀화학 제품의 중간체로도 폭넓게 활용되어, 이번 연구 결과는 보다 안전하고 지속가능한 화학 공정 개발에 기여할 것으로 기대된다.

기존 유기 전기합성 연구는 주로 전압, 전극 재료, 전해질 조성 등 용액 전체에 적용되는 조건 최적화에 집중해왔다. 그러나 류 교수팀은 분자가 전자를 주고받는 전극 주변의 미세 환경, 즉 국소 pH가 합성 결과에 큰 영향을 미친다는 점에 주목했다. 전극에서 수소이온이 생성되거나 소모되는 속도가 용액 내 이동 속도보다 빠를 경우, 국소 pH는 용액 전체의 pH와 크게 달라질 수 있으며, 이는 반응 활성종 생성 및 유기 분자의 반응성, 생성물 안정성에 영향을 미친다는 사실을 규명했다.

연구팀은 2010년 이후 발표된 관련 논문 600편 이상을 분석한 결과, 약 89%의 연구에서 적어도 한쪽 전극 반응에 수소이온 이동이 관여하는 것으로 나타나, 국소 pH 변화가 유기 전기합성 전반에서 고려해야 할 중요한 변수임을 시사했다.

실제 전기화학적 측정 결과, 용액 전체가 중성 조건에서도 음극 주변은 약 pH 11, 양극 주변은 약 pH 2.5의 극단적인 국소 pH 환경이 조성될 수 있음을 확인했다. 이러한 환경에서는 활성 산소종 공급 감소, 출발 물질 화학적 형태 변화, 생성물 분해 촉진 등이 발생할 수 있다.

연구팀은 대표 반응으로 ‘바이어-빌리거 산화’를 활용하여, 외부 산화제 없이 산소 기체를 전극에서 활성화해 유기 분자에 산소 원자를 전달하는 전기화학적 경로를 확립했다. 동위원소 추적 실험을 통해 생성물에 삽입된 산소 원자가 산소 기체에서 유래함을 확인했으며, 음극에서 생성된 활성 산소종이 양극에서 다시 활성 산소종으로 전환되는 과정을 통해 두 전극이 협력하여 활성종 공급을 유지하는 구조임을 밝혔다.

이 과정이 국소 pH에 민감하게 반응한다는 점을 확인한 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션과 전기화학적 측정을 결합하여 국소 pH 변화를 분석하고, 이를 바탕으로 전극 간격을 좁히고 전해액이 전극 사이를 흐르도록 반응기를 설계했다. 이를 통해 극단적인 pH 편차를 줄이는 원리를 적용했다.

그 결과, 국소 pH 편차를 완화하지 않은 조건 대비 목표 생성물 선택 비율이 약 16%에서 97%로 크게 향상되었으며, 단위 시간당 생성량 역시 전해액 유속 증가에 따라 꾸준히 증가했다. 전극 간격을 좁혔을 때도 생성 속도가 약 2.2배 증가했으며, 용액을 흐르게 하지 않으면 목표 생성물이 거의 얻어지지 않는다는 점은 반응 성패가 국소 반응 환경에 크게 좌우됨을 보여준다.

연구팀은 이 조건에서 18종의 케톤 화합물로부터 락톤을 합성했으며, 대표 생성물인 ε-카프로락톤을 82%의 수율로 얻었다.