메탄 산화 촉매, 20년만에 최고 수율 갱신

메탄 전환기술 중 가장 상용화에 근접한 기술

메탄을 유용한 물질로 전환해주는 촉매의 성능이 20년 만에 한 단계 향상되어, 메탄 전환기술의 상용화에 한걸음 다가갔다.

한국과학기술연구원(KIST) 이현주 박사 연구팀이 백금-유기물이 결합된 균일계 메탄 산화 촉매를 개발했다고 한국연구재단이 27일 밝혔다.

이 연구는 서울대 홍순혁 교수, 한국과학기술연구원 추현아 박사, 경희대 정민석 교수(경희대)가 공동으로 연구를 진행했다.

난방용 및 수송용 연료로 사용되는 메탄은 천연가스 및 셰일가스의 주성분으로, 자연계에 풍부하게 존재한다. 이를 경제적인 방법으로 메탄올과 같은 화학원료로 직접 전환할 수 있다면 미래 에너지 및 자원 기술의 패러다임에 큰 영향을 미칠 것이다.

그러나 현 기술로 메탄을 산화시키려면 고온에서 직접 산소와 반응시키거나 저온에서 고가의 산화제를 사용하는데, 이들 방법은 경제성이 떨어진다.

메탄을 직접 산소와 반응시키면 메탄올이 아닌 이산화탄소로 대부분 전환되고, 산화제를 사용해도 전환율이 너무 낮아 상업화와 거리가 멀다.

연구팀은 메탄을 메탄올 전구체로 전환하는 반응에서 기존의 촉매 성능보다 40배 이상 향상된 촉매를 개발했고, 이 때 메탄올 전구체의 수율도 메탄 기준 70%에서 90%까지 향상되는 것을 발견했다.

개발된 촉매는 중심 백금 원자에 DMSO라는 유기물이 결합된 구조이며, 이때 DMSO는 백금을 안정화시키는 동시에 활성화시키는 역할을 한다. 촉매의 합성법도 매우 간단하고, 비활성화 되었을 때도 쉽게 활성화시킬 수 있다.

이현주 박사는 “이 연구는 균일계 백금 착체를 이용한 메탄산화 기술로 지금까지 연구된 메탄 전환기술 중 가장 상용화에 근접한 기술”이라며, ”현재 800oC 이상에서 다단계로 이루어지는 메탄올 제조 공정을 200oC 이하로 바꿀 수 있는 혁신적인 기술“이라고 연구 의의를 밝혔다.

이 박사는 또 “이 기술은 메탄 전환 기술의 핵심인 촉매기술이고 상업화 수준의 촉매 활성을 확보했지만 실제 상업화에 이르기 위해서는 생성물의 분리 및 정제, 가수 분해 등 후속 기술이 남아있다. 이를 위해서는 화학자와 화학공학자들의 장기적인 협력 연구 그리고 상업화하고자 하는 정부와 기업의 지속적인 관심과 투자가 필요하다”말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 C1가스리파이너리사업 지원으로 수행되었다. 권위있는 국제학술지 ‘ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)’ 최신 호에 논문으로 게재되었고, 한국특허 등록 및 미국특허 출원되었다.

백금계 유기금속 촉매를 이용한 메탄 산화 반응 DMSO가 배위되어 있는 백금촉매를 이용하면 메탄을 발연황산과 반응시켜 메탄올 중간체를 90% 이상의 수율로 합성할 수 있다. 이때 촉매 회전수 (Turnovers, TOs)는 19,000 이상이다. 합성된 메탄올 중간체는 가수분해 반응을 통해 메탄올로 전환 가능하다.

DMSO가 배위된 백금촉매와 기존 촉매의 반응성 비교 및 메탄산화 반응 경로 DMSO가 배위되어 있는 백금촉매는 기존의 촉매에 비하여 동일한 조건에서 월등히 우수한 촉매 성능을 보여주었는데, 이는 DMSO가 백금을 안정화 시켜주는 동시에 활성화시켜주기 때문이다.

[e-mail] 조석장 기자