한국화학연구원, 화학반응에서 탄소생성을 억제하는 촉매 원천기술 개발

국제 학술지 켐켓켐(ChemCatChem) 온라인판 back cover 표지 논문으로 선정

한국화학연구원(원장 이규호)은 석유/정유 산업에서 화학원료나 디젤, 가솔린을 생산하는 데 주로 사용되는 제올라이트 촉매의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 원천기술을 개발했다고 밝혔다.

화학(연) 탄소자원화연구소 C1가스전환연구그룹 곽근재 박사팀은 촉매가 비활성화 되는 주요 인자인 탄소 생성을 근본적으로 차단해 촉매의 수명을 효과적으로 연장시키는 기술을 개발했고, 이 연구결과가 촉매화학 분야의 세계적인 학술지‘켐켓켐(ChemCatChem)*’5월 10일 표지논문에 실렸다.

* 켐켓켐 (ChemCatChem) : 유럽에서 발간하는 촉매 관련 화학분야에서 권위 있는 저널로 화학·생물·나노 촉매를 주로 다루며, 격주에 한 번 출간됨.

대부분의 화학공정에서는 반응의 속도를 높여주기 위해 촉매를 사용한다. 하지만 촉매를 장기간 사용할 시 탄소가 발생하여 촉매의 활성점이나 기공을 막게 되어 촉매의 기능을 떨어뜨린다.

촉매의 수명이 짧을 경우, 촉매를 재생시키거나 교체하기 위한 추가적인 비용이 발생할 수 있어 이는 촉매를 사용한 화학 산업에서 극복해야할 중요한 이슈 중에 하나로 평가되고 있다.

화학(연) 김성탁 박사와 곽근재 박사는 기초화학물질(메탄올, 탄화수소 등)로부터 플라스틱 원료인 방향족 화합물*을 생산하는 데 쓰이는 제올라이트** 촉매에 가돌리늄 (Gd)***를 코팅하는 방법으로 탄소 생성을 억제하여, 촉매의 수명이 기존 상용 촉매에 비해 일정 반응시간 이후 3배 이상 더 높게 활성상태가 유지되는 원천촉매기술을 개발하였다.

* 방향족 화합물 : 고리모양의 불포화탄화수소인 벤젠을 기본구조로 갖는 탄화수소화합물로 화학용매나 화학제품원료 (특히, 자일렌은 PET 플라스틱 원료)로 주로 사용됨

** 제올라이트 : 다공성의 결정질 알루미늄 규산염광물의 일종으로 산성용액처럼 표면에 이동할 수 있는 수소이온이 있어서 고체산으로 불리며, 이 수소이온을 통해 탄화수소를 자르거나 (크래킹), 탄화수소 모양을 변형해 (리포밍) 부가가치가 높은 화학원료를 만들 수 있어 석유/정유화학에서 많이 사용됨

*** 가돌리늄 (Gd) : 희토류 원소 중 하나로, 주로 산화를 막는 특수합금을 만들 때 소량으로 첨가되거나 고유 자기장 특성으로 MRI에 사용되고, 그 화합물은 녹색형광을 띠고 있어 발광소자의 녹색부분에 이용됨

기존의 제올라이트 촉매는 24시간 내로 초기촉매활성의 30% 이하로 떨어지는 단점이 있다. 그런데 이번에 개발된 촉매는 24시간 이후에도 초기촉매활성의 80% 이상을 유지한다. 논문의 1저자인 김성탁 박사는“희토류 금속인 가돌리늄을 제올라이트 표면에 코팅하게 되면 나노두께의 필름을 형성하고, 이 필름이 표면의 물리화학적 특성을 변화시켜 촉매 표면에 탄소생성을 저해하며 촉매의 수명이 연장되는 결과를 보인다”고 말했다.

이번 기술은 현재 석유·정유산업에서 활용되고 있는 대부분의 제올라이트 계열 촉매에 적용이 가능하며, 가돌리늄이 희토류 금속이지만 가격이 저렴하고 ($55/kg, ’16년 12월 기준), 미량만 첨가해도 촉매기능을 하기 때문에 산업 현장에 적용하는 데에도 무리가 없을 것으로 보인다.

한국의 석유·정유업계는 세계적 수준의 기술력을 가지고 있는데 반해, 공정에 사용되는 대부분의 촉매를 수입에 의존하고 있는 실정이다. 이번에 독자적으로 개발된 촉매 수명 증대기술은 국내 화학촉매의 상용화단계를 앞당겨 줄 것으로 기대된다.

본 기술은 상업용 촉매에 쉽게 소량의 금속을 코팅함으로서 그 효과를 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 현재 정부 주도로 연구개발 수행 중인 미활용탄소자원 활용기술, C1가스 전환기술* 내 요소기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

* C1가스 전환기술 : C1가스는 탄소가 1개인 메탄과 일산화탄소를 지칭하며, 이를 원료로 화학·생물 촉매를 이용하여 고부가가치 화합물을 제조하는 기술

< 문의 >

☎ 042-860-7345, 010-9737-5354 한국화학연구원 탄소자원화연구소 김성탁 박사

☎ 042-860-7383, 010-7168-7627 한국화학연구원 탄소자원화연구소 곽근재 그룹장

☎ 042-860-7823, 010-5024-9764 한국화학연구원 과학확산팀 김대일 팀장