서울대 이종협 교수
[대전=일요신문] 육심무 기자 = 한국연구재단은 KAIST 이현주 교수와 서울대 이종협 교수 공동연구팀이존의 메탄 전환 반응과 달리 메탄을 합성가스 같은 다른 중간 화합물로 전환하지 않고 직접 원하는 물질로 전환하는 ‘메탄 적접 전환’으로 메탄올과 에탄 등의 화학원료를 생산하는 안정한 로듐 단일 원자 촉매를 개발했다고 밝혔다.
로듐은 화학 원소로 기호는 Rh이고 원자 번호는 45인 귀금속 물질로 주로 백금족 원소들과 함께 백금 광석이나 니켈 광석에서 산출되며, 단일 원자 촉매는 촉매 반응에 참여하는 모든 귀금속 원자가 담지체 위에 각각 분산되어 존재하는 촉매. 모든 원자가 반응에 참여할 수 있기 때문에 귀금속 질량당 활성을 극대화 시킬 수 있다.
메탄은 셰일 가스 등에 풍부하게 존재하는 화석 연료이지만 일부 지역에만 존재하고 수송 비용이 높아 대부분 유전에서 버려지고 있다. 따라서 메탄을 유용한 화학 원료로 전환하는 기술이 요구된다.
기존에는 메탄을 합성가스(H2+CO)라는 중간 화합물 형태를 거쳐 메탄올 등의 화학 물질로 전환하는데 이때 섭씨 800도 이상의 고온과 다단계 공정을 거쳐야 했다.
로듐 단일 원자 촉매의 개념도
연구팀은 로듐이 단일 원자 형태로 담지체(금속 원자를 지지하고 있는 물질로 금속 원자가 서로 뭉치지 않게 고정해주는 물질)에 분산된 단일 원자 촉매를 개발하였다.
기존 나노 입자 촉매는 메탄 중간체(CH3)가 불안정하여 이산화탄소(CO2)로 전환이 되기 쉬웠다. 그러나 단일 원자 구조에서는 메탄이 선택적으로 활성화되어 메탄 중간체가 안정적으로 존재했다.
연구팀이 개발한 촉매를 이용하여 액체 상태에서 메탄을 전환할 경우 단일 공정, 100도 이하의 저온 공정으로 메탄올을 생산하였다.
또한 기체 상태에서 메탄을 전환할 경우 300도 이하의 저온 공정으로 에탄을 생산하였다.
이는 기존 공정과 비교하면 매우 낮은 온도에서 메탄을 전환하여 고부가가치 화합물을 생산할 수 있어 에너지 효율성이 높다.
이현주 교수
이현주 교수는 “이 연구는 촉매와 메탄과의 상호작용을 원자 단위에서 깊게 이해하여 메탄을 직접 전환하는 새로운 촉매를 개발한 것이다. 메탄 직접 전환과 단일 원자 촉매의 원천 기술 확보로 메탄을 다양한 화학원료로 전환하는 기술의 토대가 될 것으로 기대한다”고 설명했다.
과학기술정보통신부·한국연구재단 C1 가스 리파이너리 사업의 지원으로 수행된 이 연구 성과는 화학 분야 국제학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 11월 10일자 논문으로 게재되었다. (논문명 : Selective Activation of Methane on Single-Atom Catalyst of Rhodium Dispersed on Zirconia for Direct Conversion)
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