새로 개발한 촉매의 반응을 통해 글리세롤과 이산화탄소를 동시전환해 젖산과 포름산을 생산하는 것을 나타낸 그림. (한국화학연구원 제공) ©뉴스1

한국화학연구원은 황영규 박사팀이 온실가스인 이산화탄소와 바이오디젤의 부산물인 글리세롤로부터 유용한 화학원료인 젖산과 포름산을 동시에 생산할 수 있는 촉매 공정 기술을 개발했다고 30일 밝혔다. 젖산은 썩는 플라스틱의 원료로 활용될 수 있으며, 포름산은 연료전지의 수소저장물질, 가죽과 사료첨가제로 쓰이거나 추가 촉매 공정을 통해 화학제품으로 만들어질 수 있다.

글리세롤과 이산화탄소로부터 젖산과 포름산을 동시에 생산하는 원리는 촉매를 이용한 △탈수소화 반응 △수소화 반응이다.

수소가 들어있는 유기화합물에서 수소원자를 떼어내는 반응이 탈수소화 반응이고, 이 떼어낸 수소원자를 다른 화합물에 첨가시키는 것을 수소화 반응이라고 한다.

연구팀이 개발한 촉매는 글리세롤에서 수소를 떼어내 이동시킨 후 이산화탄소와 반응하게 해 젖산과 포름산을 생산하게 한다. 수소화 반응은 촉매 분야에서 많이 이용되고 있지만, 수소가스는 운반이 위험하고 사용이 어려웠다.

이에 수소가스를 활용한 수소화 반응 연구 대신 수소가 액체에 포함돼 있는 액상 수소원을 활용한 연구가 각광받고 있다.

연구팀은 관련 연구를 지난 5년간 진행한 끝에 극소량만 넣어도 글리세롤의 탈수소화 반응과 이산화탄소의 수소화 반응을 동시에 이끌어내는 새로운 촉매를 개발했다.

특히, 연구팀이 개발한 촉매 공정은 기존 연구보다 촉매 활성이 좋고, 젖산과 포름산 생산 수율이 높다.

실제, 촉매가 얼마나 빠르게 반응물을 전환시킬 수 있는지(TOF, TurnOver frequency) 측정했을 때, 새로 개발된 촉매는 젖산 548, 포름산 164를 각각 기록했다.

단위부피시간당 생산량(STY , Space-Time yield)은 젖산 422g/L·day, 포름산 64g/L·day을 달성했다.

이는 이론적으로 기존 촉매보다 10~20배 정도 촉매 활성이 좋고, 생산량 또한 2배 정도 높은 수치다.

연구팀은 금속 클러스터가 유기물로 연결된 구멍이 많은 다공성 물질인 금속유기골격체(MOF)에 루테늄(Ru) 원자 세 개가 있는 분자체물질을 넣었다.

이어 탄화공정을 거쳐 루테늄 금속이 분산된 나노 촉매(Ru/NCT)를 만들었다.

또, 연구팀은 전자현미경, X-선 흡수 분광법 등을 활용해 루테늄 금속의 입자 크기와 결정성, 탄소의 표면과 기공 특성을 파악했다.

결정성과 입자 크기가 큰 루테늄 촉매가 젖산과 포름산의 동시 생산에 더 크게 반응하는 것을 밝혀낸 것이다.

한국화학연구원 황영규 본부장은 “이번에 개발한 촉매공정 기술을 바탕으로 이산화탄소 전환 촉매 반응 연구 등이 활발하게 이뤄질 것”이라며 “석유화학과 정밀화학, 바이오화학 공정 등에 미치는 영향이 클 것”으로 전망했다.

향후 연구팀은 계산화학을 통한 촉매 후보군 탐색 등으로 포름산 및 젖산 생산수율을 추가적으로 높여 국가 온실가스 감축에 기여할 실용화 기술을 계속 개발할 계획이다.

한편, 이번 연구결과는 세계적인 물질 분야 권위지인 ‘물질화학’ 12월호 표지논문으로 게재됐다.


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