메탄올·아세트산 등 현대 산업 필수 원료 수소 없이 메탄으로 전환
정량적 데이터 확보 및 회수율 개선…대량 생산 공정 경제성 입증
▲대구 혁신도시에 위치한 한국가스공사 본사. 사진=한국가스공사
가스공사가 전남대 나경수 교수 연구팀과 함께 천연가스를 활용해 이산화탄소를 유용한 고부가 화학 원료로 전환하는 핵심 통합 공정 기술을 개발해 주목받고 있다.
24일 한국가스공사에 따르면 전남대학교 화학과 나경수 교수 연구팀은 지난 2023년부터 진행해 온 '천연가스를 활용한 이산화탄소의 흡수 및 열화학적 촉매 전환 통합 공정 기술 개발' 연구를 통해 핵심 촉매 기술과 공정 최적화 성과를 확보했다.
기존의 이산화탄소 수소화 반응은 별도의 수소 기체 공급이 필수적이었으나, 나 교수 연구팀은 수소 기체가 없는 조건에서도 천연가스(메탄)를 활용해 이산화탄소를 성공적으로 전환하는 데 성공했다. 이를 통해 글로벌 화학 시장에서 수요가 매우 높은 아세트산, 메탄올, 아세트알데하이드, 아세톤 등 함산소 탄소화합물을 선택적으로 생산할 수 있는 촉매 공정 기반을 마련했다.
연구팀이 이번 공정을 통해 합성한 화합물들은 현대 산업 전반에서 천문학적인 경제적 가치를 지닌 핵심 원료들이다.
메탄올은 전 세계 시장 규모가 수십조 원에 달하는 기초 유기화학 물질로, 친환경 선박 연료 및 플라스틱, 접착제 등의 원료로 쓰여 탄소중립 시대의 핵심 가치로 급부상하고 있다.
섬유 및 포장재(PET)의 필수 원료인 아세트산과 반도체·전자재료 세정제 및 섬유 수지 제조에 광범위하게 쓰이는 아세톤 역시 각각 수십억 달러 이상의 글로벌 시장을 형성하고 있는 고가치 자원이다.
의약품과 향료, 유기화합물 합성의 중간체로 쓰이는 아세트알데하이드 또한 정밀화학 분야에서 빼놓을 수 없는 핵심 소재다.
연구팀은 이번 과제를 통해 금속산화물 및 금속탄산염에 기반한 이산화탄소·탄화수소 전환 '이중기능성 촉매' 3종 이상을 독자적으로 개발했다. 아울러 촉매의 물리·화학적 특성 제어와 순환형 반응 제어 기술, 추가 반응물 주입 기술 등을 융합해 원하는 화합물의 생성 선택성을 정밀하게 조절하는 기술까지 확보하는 쾌거를 이뤘다.
공정의 실용성을 높이기 위한 정량적 데이터 확보도 마쳤다. 공간 속도, 온도, 압력 등 다양한 공정 변수에 따른 반응 결과를 체계화했으며, 반응 후 추출 공정을 대폭 개선하여 화합물의 회수율을 높이고 전체적인 생산성을 향상시키는 기술을 완성했다. 이는 향후 대량 생산 공정으로의 스케일업(Scale-up) 가능성을 입증했다는 점에서 경제적 가치가 더욱 높게 평가된다.
이번 성과는 가스공사가 나 교수 연구팀에 외부연구용역을 맡겨 이뤄졌다. 과제명은 '천연가스를 활용한 이산화탄소의 흡수 및 열화학적 촉매 전환 통합 공정 기술 개발'이며, 연구기간은 2023년 11월 1일부터 2025년 10월 31일까지 총 24개월이다.
가스공사 측은 “이번 연구를 통해 확보한 학술적·기술적 지식은 이산화탄소와 천연가스 전환 분야뿐만 아니라 다양한 화학 공정 연구에 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라며, “이번 실험 결과에 안주하지 않고, 효율을 더욱 개선하고 더 높은 부가가치를 창출할 수 있는 후속 연구를 기획하고 수행할 계획"이라고 밝혔다.
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