메탄을 화학원료로 직접 전환…단일 원자촉매 개발

이현주 KAIST·이종협 서울대 교수 성과…"복잡한 고온 공정 대체"

이현주 KAIST 교수(왼쪽)와 이종협 서울대 교수. 두 교수 연구팀은 메탄 직접 전환으로 화학 원료를 생산하는 로듐 단일 원자 촉매를 개발했다. [한국연구재단 제공=연합뉴스]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 한국연구재단은 이현주 한국과학기술원(KAIST)·이종협 서울대 교수 공동연구팀이 메탄 직접 전환으로 메탄올과 에탄 등 화학 원료를 생산하는 로듐 단일 원자 촉매를 개발했다고 13일 밝혔다.

화석 연료 중 하나인 메탄은 셰일 가스 등에 풍부하게 존재하나, 일부 지역에만 존재하고 수송 비용이 많이 들어 대부분 유전에서 버려진다.

메탄을 유용한 화학 원료로 전환하는 기술이 요구되는 건 이 때문이다.

기존에는 800도 이상 고온과 다단계 공정으로 중간 화합물 형태를 만든 다음 메탄올 등 화학 물질로 전환했다.

연구팀은 메탄을 직접 원하는 물질로 전환하는 공정을 구현했다.

로듐이 단일 원자 형태로 담지체(금속 원자가 서로 뭉치지 않게 고정해주는 물질)에 분산된 단일 원자 촉매를 개발했다.

로듐은 원자 번호 45인 귀금속 물질이다. 백금 광석이나 니켈 광석에서 산출된다.

기존 나노 입자 촉매는 메탄 중간체가 불안정해 이산화탄소로 쉽게 전환돼 버린다.

액상에서 메탄을 전환하는 경우(위) 단일 공정·100도 이하 저온 공정으로 메탄올(붉은 막대)을 생산했다. 다수의 반응 횟수에도 안정한 반응성을 보였다. 기체 상태에서 메탄을 전환하는 경우(아래) 300도 이하 공정에서 에탄을 지속적으로 생산했다. [한국연구재단 제공=연합뉴스]

그러나 단일 원자 구조에선 메탄이 선택적으로 활성화해 메탄 중간체가 안정적으로 존재했다고 연구팀은 설명했다.

연구팀이 개발한 촉매를 이용해 액체 상태에서 메탄을 전환할 경우 100도 이하의 저온 단일 공정으로 메탄올을 생산할 수 있다.

연구팀은 "촉매와 메탄과의 상호작용을 원자 단위에서 이해해 메탄을 직접 전환하는 새로운 촉매를 만들었다"며 "메탄 직접 전환과 단일 원자 촉매 원천 기술 확보를 바탕으로 메탄을 다양한 화학 원료로 전환할 수 있을 것"이라고 말했다.

로듐 단일 원자 촉매 개념도 로듐이 단일 원자 형태로 지르코늄 산화물 담지체에 분산된 단일 원자 촉매. 촉매 구조를 고분해능 기술을 이용해 분석하고서, 이를 바탕으로 계산 모델을 구축했다. 일반적인 나노 입자 촉매와 달리 단일 원자 촉매에서는 메탄이 선택적으로 활성화해 화학물질로 전환됐다. [한국연구재단 제공=연합뉴스]

연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 C1 가스 리파이너리 사업 지원으로 수행했다.

성과를 담은 논문은 화학 분야 국제학술지 '미국화학회지'(Journal of the American Chemical Society) 지난달 10일 자에 실렸다.

walden@yna.co.kr

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