포스텍, 제올라이트 모방 탄화수소 활성화 촉매 개발

제올라이트에 구리·알루미늄 결합 산화효율 크게 개선
운송·저장 제약, 온실효과 메탄가스 문제점 해결 평가

포스텍(포항공과대학교) 화학과·첨단재료과학부 황승준 교수 연구팀은 중요 에너지원이자 강력한 온실가스 중 하나인 메탄가스(methane)를 유용한 화합물인 메탄올(methanol)로 전환하는 '제올라이트(zeolite)'를 모방한 탄소-수소 활성화 촉매 시스템을 개발했다.

22일 포스텍에 따르면, 이번 연구는 새로운 형태의 촉매 개발을 통해서 친환경 에너지 산업을 위한 촉매 개발의 기틀을 마련했다는 평가를 받으며, 세계 최고 권위 화학 학술지 '미국화학회지(JACS)'에 게재됐다.

포스텍에 따르면, 천연가스의 주요 성분인 메탄가스는 중요한 에너지원이지만 기체 형태로 존재하기 때문에 운송과 저장이 어려워 활용에 제약이 있다. 또한, 대기 중으로 방출되면 이산화탄소보다 25배 강력한 온실효과를 일으키기 때문에 대부분 연소시켜 이산화탄소로 전환하여 배출하고 있는 실정이다.

황승준 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 자연에서 쉽게 발견되는 광물인 '제올라이트(zeolite)'에 주목했다. 제올라이트는 메탄을 메탄올로 산화하는 반응을 촉진한다고 알려졌지만 광물에 포함된 알루미늄(Al) 등의 원소들이 어떻게 반응에 영향을 미치는지는 그동안 명확하게 밝혀지지 않았다.

연구팀은 구리(Cu)와 알루미늄을 결합한 새로운 형태의 촉매를 개발했다. 이 촉매는 '다중 금속 복합체'로, 두 금속의 결합을 통해 반응 효율을 크게 개선할 수 있는 플랫폼이다.

이 플랫폼을 이용해 실험 결과, 알루미늄이 포함된 경우 기존 대비 활성화 가능한 탄화수소의 결합 세기는 11kcal/mol 증가하였고, 반응속도 또한 14배 증가하여 반응 효율이 크게 향상했다. 특히, 알루미늄이 포함된 촉매는 87kcal/mol의 결합 해리 에너지1)를 가진 탄소-수소 결합을 활성화하여 기존의 구리 옥소 복합체 촉매 중 가장 뛰어난 성능을 보였다.

이번 연구는 그동안 밝혀지지 않았던 알루미늄 금속의 촉매 작용 메커니즘을 밝혀냈다는 점에서 큰 의미가 있다고 포스텍은 설명했다.

황승준 교수는 “이번 연구를 통해 제올라이트 기반의 촉매 설계를 위한 중요한 단서를 제공했다"라며, “다양한 불균일계 촉매2)에 대한 이해를 높일 뿐만 아니라, 새로운 촉매 개발 및 에너지 효율 향상에 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.

김철훈 기자 kch0054@ekn.kr