고효율 메탄가스 분해촉매 개발…화학산업 원료 혁신 기대

<<이 기사의 국제 엠바고 3월 25일 오전 3시는 국제학술지 <사이언스

주요 온실가스 중 하나로 꼽히는 메탄가스를 다양한 화학산업 원료로 활용할 수 있도록 촉매반응으로 분해하는 기술을 한국과 미국공동 연구진이 개발했다.

기초과학연구원(IBS)은 24일 분자활성촉매반응연구단 백무현 부연구단장(KAIST화학과 교수)과 미국 펜실베이니아대 대니얼 민디올라 교수, 미시간주립대 밀턴 스미스 교수 공동연구진이 전이금속인 이리듐 촉매를 활용해 메탄가스의 탄소-수소 결합을 끊고 붕소를 결합해 화학반응을 활성화하는 과정을 이론과 실험으로 증명했다고 밝혔다.

메탄가스(CH₄)는 탄소와 수소로만 이뤄진 탄화수소(hydrocarbon)로 매년 5억t이상 발생하고 발생량이 점차 늘고 있다. 탄화수소 혼합물은 화학산업 원료 등으로활용성이 높지만 메탄가스는 탄소-수소 결합이 매우 강해 활용하기가 어렵다.

기존 연구에서는 메탄의 탄소-수소 결합을 끊어 화학적으로 활성화하는 반응은생산율이 2∼3%에 불과해 불가능에 가까운 화학반응으로 간주됐다.

연구팀은 이 연구에서 전이금속인 이리듐을 활용한 붕소화 촉매반응으로 메탄가스의 탄소-수소 결합을 끊고 메탄기(-CH₃)에 붕소(B)가 결합, 활성화 생성물이 만들어지는 비율을 52%까지 끌어올렸다.

이렇게 만들어진 활성화 생성물은 다른 원자나 분자와 쉽게 반응하기 때문에 다양한 석유화학산업에 원료로 활용할 수 있다.

이 생성물에 물을 더하면 메탄올을 만들 수 있고 다른 화합물과 반응시키면 플라스틱, 의약품, 섬유 등 화학제품 생산 원료로 사용할 수 있다.

이 연구에서 백 부단장은 계산화학으로 메탄의 탄소-수소 결합을 끊고 붕소를결합하는 효율이 높은 이리듐 촉매 후보물질을 예측하고 반응 메커니즘을 규명했다.

미국 연구진은 백 부단장의 연구를 토대로 이리듐 붕소화 촉매를 만들고 메탄가스 분해 실험을 통해 이 촉매반응의 효율성을 입증했다.

연구진은 이 연구는 메탄가스를 새로운 에너지원과 석유화학 산업의 원료로 사용할 수 있다는 가능성을 보여줬다는 데 의의가 있다며 이 화학반응을 활용하면 메탄가스를 제어해 온실가스도 줄일 수 있다고 밝혔다.

백 부단장은 "이 연구는 촉매반응으로 메탄가스의 탄소-수소 결합 활성화 생성물을 생산하는 것일 가능하다는 것을 처음으로 입증한 것"이라며 "이 반응을 실용화하기 위해서는 비싼 붕소와 이리듐을 대체할 유기금속촉매를 개발하는 후속 연구가필요하다"고 말했다.

이 연구 결과는 국제학술지 '사이언스'(Science, 3월 24일자)에 게재됐다.

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