고려대, 친환경 폐플라스틱 재활용 기술 개발…외부 수소 주입 없이 고부가가치 연료 만든다

△ 액상 유기 수소 운반체 기반 탠덤 데칼린 탈수소화/플라스틱 수소화 분해 촉매 반응 메커니즘 모식도로 외부 수소 없이 생성된 수소가 즉시 플라스틱 분해 반응에 활용되는 과정을 나타낸다

폐플라스틱을 재활용할 때 오히려 탄소 배출이 수반되는 ‘친환경의 역설’을 해결할 방법이 나왔다. 고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 노인수 교수 연구팀과 원왕연 교수 연구팀이 외부 수소 공급 없이 폐플라스틱을 고부가가치 연료로 탈바꿈하는 ‘지속가능한 업사이클링 공정’ 개발에 성공했다.

기존 폐플라스틱 재활용 방식 중 하나인 수소화 분해는 플라스틱 분자를 쪼개기 위해 외부에서 고압의 수소 가스를 주입해야만 한다. 여기서 사용되는 산업용 수소의 대부분이 화석 연료를 원료로 하는 ‘그레이 수소’인데, 생산 과정에서 다량의 이산화탄소가 배출된다. 환경을 위해 플라스틱을 재활용할수록 탄소발자국이 늘어나는 모순이 발생하는 것이다. 

*수소화 분해(hydrocracking): 수소 존재 하에서 고분자 또는 고분자 탄화수소를 더 짧은 사슬의 액상 연료 범위 탄화수소로 분해하는 반응

*그레이 수소(Grey hydrogen): 천연가스나 석탄과 같은 화석 연료 기반으로 생산돼 탄소 배출이 수반되는 수소

*탄소발자국: 제품이나 서비스가 만들어지고 버려지는 전 과정에서 발생하는 온실가스 총량을 정량화한 지표

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 액상 유기 수소 운반체(Liquid Organic Hydrogen Carriers, LOHCs)인 ‘데칼린(Decalin)’을 활용한 ‘탠덤(Tandem) 촉매 전략’을 제시했다. 데칼린으로부터 수소를 추출하는 ‘탈수소화(Dehydrogenation)’와 폴리에틸렌에 수소를 공급하는 ‘수소화 분해(Hydrocracking)’를 동시에 구현하는 시스템이다. 즉, 데칼린에서 추출한 수소를 별도의 저장이나 운송 과정 없이 즉시 플라스틱 분해 반응에 사용하는 방식이다. 

*액상 유기 수소 운반체(Liquid Organic Hydrogen Carriers, LOHCs): 수소를 화학적으로 저장했다가 필요 시 탈수소 반응을 통해 수소를 방출할 수 있는 액체 유기 화합물

*탠덤 촉매(Tandem catalysis): 서로 다른 반응이 중간 분리 단계 없이 하나의 반응기 또는 공정 내에서 연속적으로 수행되도록 설계된 촉매 시스템. 

수소를 추출하고 공급하는 두 과정을 최적화하는 ‘Pt/HZSM-5’ 촉매도 개발했다. 데칼린과 해당 촉매를 이용한 실증 실험 결과, 폐플라스틱의 90% 이상이 분해되는 높은 전환율을 기록했다. 특히 생성물의 70% 이상이 즉시 활용 가능한 고부가가치 액체 연료인 가솔린(휘발유)와 항공유로 구성됐다. 

이러한 ‘원스텝 탠덤 공정’으로 친환경성과 시장 경쟁력도 동시에 확보했다. 외부 수소를 주입하는 기존 방식 대비 온실가스 배출량을 획기적으로 낮췄으며, 지구온난화지수도 원유 기반 가솔린 생산 대비 약 57% 수준까지 절감했다. 최소 연료 판매 가격은 1갤런당 약 3.5달러로, 이는 다른 친환경 연료보다 훨씬 저렴한 수준이다. 

연구팀은 "이번 연구는 수소 생산의 탄소 발자국 문제와 플라스틱 폐기물 문제를 동시에 해결할 수 있는 지속 가능한 업사이클링 경로를 제시했다"며 "플라스틱 순환 경제 구축을 앞당기는 핵심 기술이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 화학·재료·에너지 분야를 아우르는 세계적 권위의 국제 학술지 ‘Nature Communications(IF=15.7)’에 2025년 12월 24일자로 게재됐다.

*논문명: Sustainable polyolefin upcycling using liquid organic hydrogen carrier based hydrogen delivery and hydrocracking

*DOI: 10.1038/s41467-025-67642-3

*URL: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67642-3

본 연구는 한국환경산업기술원 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다.

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 권태은 박사과정(제1저자), 안서영 석박사통합과정(제1저자), 원왕연 교수(교신저자), 노인수 교수(교신저자)