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화학연, 온실가스 이산화탄소와 폐글리세롤로부터 유용한 자원 생산한다!

작성자 : 편집부 2020-12-15 | 조회 : 1759

- 바이오디젤 부산물인 폐글리세롤과 버려지는 온실가스 이산화탄소로부터 유용 화학원료 젖산 및 포름산 동시 생산 촉매 공정 개발… 온실가스 감소 효과 기대

- 물질 분야 권위지 『물질 화학(Chemistry of Materials)』紙 12월호 표지논문 발표

온실가스인 이산화탄소와 바이오디젤의 부산물인 글리세롤로부터 유용한 화학원료인 젖산과 포름산을 동시에 생산할 수 있는 촉매 공정 기술이 개발됐다.

최근 친환경 정책의 영향으로 식물 유래 연료인 바이오디젤 생산이 전 세계적으로 증가하고 있다. 글리세롤은 바이오디젤이 생산될 때 약 10% 정도 나오는 부산물로, 가격이 매우 저렴하다. 글리세롤에 있는 수소를 떼어내 반응시키면 생분해성 플라스틱의 원료인 젖산을 만들 수 있어 관련 연구가 전 세계적으로 증가하고 있다.

새로 개발한 촉매의 반응을 통해 글리세롤과 이산화탄소를 동시 전환해 젖산과 포름산을 생산하는 것을 나타낸 그림이다.

화학연 황영규 박사팀은 이 글리세롤과 온실가스인 이산화탄소를 활용해 젖산과 포름산을 높은 수율로 생산할 수 있는 촉매 공정을 개발했다. 젖산은 썩는 플라스틱의 원료로 활용될 수 있으며 포름산은 연료전지의 수소저장물질, 가죽과 사료 첨가제로 쓰이거나 추가 촉매 공정을 통해 화학제품으로 만들어질 수 있다. 2020년 기준 세계적 시장 규모로 젖산은 170만 톤, 포름산은 200만 톤이고, 매년 15%, 5%씩 시장이 성장하는 추세다.*

* 출처: Markets and Markets, 2015,

글리세롤과 이산화탄소로부터 젖산과 포름산을 동시에 생산하는 원리는 촉매를 이용한 ‘탈수소화 반응’과 ‘수소화 반응’이다. 수소가 들어있는 유기화합물에서 수소 원자를 떼어내는 반응이 탈수소화 반응이고, 이 떼어낸 수소 원자를 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 어려워서, 수소가스를 활용한 수소화 반응 연구 대신 수소가 액체에 포함되어 있는 액상 수소원을 활용한 연구가 각광받고 있다.

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

지금까지 글리세롤과 이산화탄소로부터 유용한 화학물질을 생산하는 금속촉매 공정 연구는 3건 보고되었는데, 연구팀이 개발한 촉매 공정은 기존 연구보다 촉매 활성이 좋고, 젖산과 포름산 생산 수율이 높다.

촉매가 얼마나 빠르게 반응물을 전환시킬 수 있는지(TOF, Turn Over frequency) 측정했을 때, 새로 개발된 촉매는 젖산 548, 포름산 164를 기록했다. 단위 부피 시간당 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.*

* 기존 보고된 불균일 촉매는 촉매 활성이 TOF: 19, 10으로 매우 낮았고, 글루코스의 발효공정으로 만들어낸 젖산의 단위 시간당 생산량이 100~150g/L·day다.

연구팀은 금속유기골격체*(MOF)에, 루테늄(Ru) 원자 세 개가 있는 분자체(삼량체) 물질을 넣은 다음 태워서(탄화공정), 루테늄 금속이 분산된 나노 촉매(Ru/NCT)를 만들었다.

* 금속유기골격체(MOF, Metal-Organic Framework): 금속 이온이나 금속 클러스터가 유기물로 연결된, 구멍이 많은 다공성 물질로 기체 흡착 및 분리, 촉매, 센서 등 많은 분야에서 각광받고 있다

촉매 사진

연구에 사용된 금속유기골격체(ZIF-11)

또한, 연구팀은 전자현미경, X-선 흡수 분광법 등을 활용해, 루테늄 금속의 입자 크기와 결정성, 탄소의 표면과 기공 특성을 파악했다. 그래서 결정성과 입자 크기가 큰 루테늄 촉매가 젖산과 포름산의 동시 생산에 더 크게 반응하는 것을 밝혔다.

입자 크기와 결정성, 탄소의 표면과 기공 특성

(a), (b): 제조된 루테늄 촉매의 전자현미경 사진. 루테늄 나노입자는 평균 2.6nm의 크기를 가지며 뚜렷한 결정성을 보인다.

(c): 루테늄 촉매의 원소 분포도를 통해 루테늄 입자가 탄소 지지체 위에 분산되어 있음을 알 수 있다. (nm: 나노미터, μm: 마이크로미터)

한국화학연구원 화학공정연구본부 황영규 본부장과 성균관대 권영욱 교수 공동 연구팀은 위 연구결과를 세계적인 물질 분야 권위지인 ‘물질화학(Chemistry of Materials)*’ 12월호에 표지논문으로 발표했다.

* IF:9.567. 논문 제목: 글리세롤과 이산화탄소의 동시전환을 위한 루테늄 삼량체 클러스터 담지 금속유기골격체의 합성 및 이의 카본 물질 개발(In Situ Synthesis of Trimeric Ruthenium Cluster-Encapsulated ZIF-11 and Its Carbon Derivatives for Simultaneous Conversion of Glycerol and CO2)

한국화학연구원 황영규 본부장은 “이번에 개발한 글리세롤과 이산화탄소의 동시전환 촉매시스템을 바탕으로, 여러 바이오매스 활용한 이산화탄소 전환 촉매 반응 연구 등이 활발하게 이뤄질 것”이라며, “석유화학과 정밀화학, 바이오화학 공정 등에 미치는 영향이 클 것”으로 전망했다.

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

이번 연구는 과학기술정통부 차세대 탄소자원화 사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구진

황영규 박사

◯ 소속: 한국화학연구원

화학공정연구본부 그린탄소연구센터

◯ 연락처: 042-860-7680

◯ 이메일 : ykhwang@krict.re.kr

오경렬 연구생

◯ 소속 : 한국화학연구원

화학공정연구본부 그린탄소연구센터

◯ 연락처: 042-860-7675