계산화학 활용해 저렴하고 독성 없는 촉매 찾아… 석유화학산업 혁신 기대

기초과학연구원(IBS ; 원장 김두철 www.ibs.re.kr) 연구진이 우리 주변에 흔한 타이타늄(Titanium)1) 촉매를 활용해 플라스틱, 의약품 원료로 사용하는 올레핀(olefins)2) 합성에 성공했다. 석유화학산업분야 주요 소재인 올레핀은 보통 800℃ 고온으로 석유를 증기 분해(steam cracking)3)하여 제조한다. 매우 높은 열과 에너지가 투입되며 이산화탄소 등 온실가스가 발생하는 것이 단점이다.

기초과학연구원 분자활성 촉매반응연구단(단장 장석복) 백무현 부연구단장과 마노즈 마네(Manoj V. Mane) 연구위원은 계산화학*을 통해 타이타늄을 최적의 촉매로 선택했으며, 탄화수소(hydrocarbon)4)의 수소를 선택적으로 없애는 탈수소반응5)을 구현했다. 이로써 기존 공정에 비해 10분의 1정도 낮은 온도(75℃)에서 올레핀을 합성했다.

올레핀은 플라스틱, 고분자 화합물, 의약품 등에 활용하는 기초 원료이다. 활용도가 커 올레핀 합성 과정은 많은 연구자들이 연구주제로 삼고 있다. 올레핀은 탄화수소가 수소를 잃으면서 탄소(C) 두 개가 이중결합(C=C)해 생성되는데 증기 분해방식은 반응 중 탄소-탄소 결합이 끊어져 올레핀 혼합물이나 다른 탄화수소들이 합성되는 단점이 있다. 또 석유 대신 천연가스에서 올레핀을 합성하려면 온실가스가 발생해 오염과 공해 문제가 뒤따랐다.

화학자들은 석유와 천연가스 등 탄화수소 화합물을 가공하거나 분해할 때, 열과 에너지를 적게 사용하고, 환경오염이 덜한 화학반응을 구현하기 위해 다양한 촉매반응을 연구해왔다. 탄소와 수소만으로 결합된 탄화수소는 두 분자 간 결합이 매우 강하기 때문에 결합을 끊고 반응을 유도하는 촉매 개발이 주요 과제였다. 이리듐(Iridium), 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium) 등 전이금속을 촉매로 적용했으나 비용이 너무 비싸 실제 산업에 활용하기는 어려웠다.

백 부단장은 비싼 전이금속 보다 수십 배 저렴한 타이타늄6)을 촉매로 적용했다. 백 부단장은 밀도범함수7)를 활용한 계산화학을 통해 최적의 촉매 후보물질로 타이타늄을 제안했고, 미국 펜실베니아대학 연구진은 약 75℃에서 탈수소반응이 성공적으로 이뤄졌음을 실험으로 확인했다. 지난해 이리듐 촉매로 메탄가스의 강력한 탄소-수소 결합을 분해(사이언스, 16.04)한 데 이어 이번 연구에서도 계산화학으로 정확한 촉매를 예측했다. 또 탈수소반응에 이리듐 촉매를 활용할 때, 탄화수소가 이성질화(isomerization)8)되는 문제도 타이타늄 촉매로 해결됨을 관찰했다.

백 부단장은 “이리듐은 반응성이 매우 크지만 값이 비싸고 구하기 어렵다. 반면 타이타늄은 값이 매우 저렴하고 구하기 쉽다”며, “향후 타이타늄 촉매의 반응성과 효율성을 높인다면9) 기존 올레핀 합성공정의 비용이 줄어들 것”이라고 말했다.

이번 연구는 미국 펜실베니아 대학의 대니얼 민디올라(Daniel J. Mindiola) 교수그룹과 공동으로 진행되었다. 연구결과는 6월 27일 국제학술지 네이처 케미스트리(Nature Chemistry, IF 25.87)10)에 게재되었다.

* 계산화학이란?

이론화학의 문제를 컴퓨터를 활용해 다루는 화학의 한 분야. 분자 또는 원자에 대한 양자화학 및 분자동력학 등을 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현해 연구한다. 계산화학은 전통적으로 실험화학의 결과를 검증하거나 관찰하는 역할이 주를 이루었다. 하지만 현재에는 기존 역할을 수행하면서 보다 계산화학의 영역을 확장해나가고 있다. 다양한 화학반응과 현상에 이론적 근거를 제시하거나 기존 반응을 개선하거나 새로운 화학 반응과 촉매를 예측하는 등 주도적으로 역할을 수행하고 있다.

1) 타이타늄(Titanium, Ti) : 원자번호 22번 타이타늄은 그리스 신화의 신 이름을 땄다. 지각에 아홉 번째로 많이 함유된 원소이고 금속 중에서 네 번째로 많다. 타이타늄 금속은 강철만큼 강하지만 밀도가 강철의 반이다. 비행기 동체, 항공기 부품, 인공위성의 주요 소재이고 합금을 해 보석, 골프채 등으로도 널리 활용한다.

2) 올레핀(olefins) : 탄소-수소 단일 결합인 알케인(alkene)의 한 종류. 이번 연구에서는 탄화수소 분자의 첫 번째 탄소와 두 번째 탄소 사이에 이중결합(C=C)이 존재하는 알파-올레핀을 합성했다. 대부분 원유를 공업적으로 정제해 얻고 있다.

3) 증기 분해(Steam Cracking) : 석유를 고온에서 분해하여 에틸렌 등의 올레핀을 제조하는 방법이다.

4) 탄화수소(Hydrocarbon) : 탄소와 수소만으로 이뤄진 결합물로 유기화합물의 모체. 탄화수소는 포화/불포화, 사슬/고리 모양으로 분류된다. 화학공정의 핵심 원료로 원유, 천연가스 등을 예로 들 수 있다.

5) 탈수소반응(dehydrogenation ): 수소를 포함하는 화합물에서 수소가 제거되는 반응. 탄소-수소 단일결합 화합물인 알케인을 활용해 올레핀을 얻을 때 필요하다.

6) 이리듐은 1g에 약 40만원, 타이타늄은 1g에 약 1만 7천원에 달한다. 같은 중량 대비 약 24배의 차이가 난다.(출처 : 시그마 알드리치)

7) 밀도범함수(Density Functional Theory) : 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 양자 역학적으로 계산하는 이론으로 1998년 월터 콘(Walter Kohn)이 해당 이론으로 노벨 화학상을 수상하였다.

8) 이성질화(Isomerization) : 화학적 또는 물리적 변화에 의한 한 이성질체가 다른 이성질체로 변화되는 현상이다. 여기서 이성질체(Isomer)란, 분자식은 같으나 분자내의 원자의 연결방식이나 공간배열이 다른 화합물을 말한다.

9) 촉매의 반응성 및 효율을 측정하는 지표는 촉매 활성 사이트 당 반응하는 분자수로 계산할 수 있다. 이를 전환수(Turnover Number)라고 한다.

10) 네이처 케미스트리(Nature Chemistry) : 세계적인 출판그룹 NPG(Nature Publish Group)에서 발행하는 화학 저널. 화학분야 최고권위 학술지로 꼽힌다. 피인용지수(impact factor)는 25.87이다.