[지금은 과학] 이산화탄소에서 유용한 자원 뽑아낸다

[아이뉴스24 정종오 기자] 온실가스인 이산화탄소와 바이오디젤의 부산물인 글리세롤로부터 유용한 화학 원료인 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 부산물이다. 가격이 아주 싸다. 글리세롤에 있는 수소를 떼어내 반응시키면 생분해성 플라스틱의 원료인 젖산을 만들 수 있어 관련 연구가 늘어나고 있다.

한국화학연구원 황영규 박사팀은 이 글리세롤과 온실가스인 이산화탄소를 활용해 젖산과 포름산을 높은 수율로 생산할 수 있는 촉매 공정을 내놓았다. 젖산은 썩는 플라스틱의 원료로 활용될 수 있다.

포름산은 연료전지의 수소저장물질, 가죽과 사료 첨가제로 쓰이거나 추가 촉매 공정을 통해 화학제품으로 만들어질 수 있다. ‘Markets and Markets’ 관련 분석 보고서를 보면 2020년 기준 세계적 시장 규모로 젖산은 170만 톤, 포름산은 200만 톤이고 매년 각각 15%, 5%씩 성장하고 있다.

글리세롤과 이산화탄소로부터 젖산과 포름산을 동시에 생산하는 원리는 촉매를 이용한 ‘탈수소화 반응’과 ‘수소화 반응’이다. 수소가 들어있는 유기화합물에서 수소 원자를 떼어내는 반응이 탈수소화 반응이다. 이 떼어낸 수소 원자를 다른 화합물에 첨가시키는 것을 수소화 반응이라고 한다.

연구팀이 개발한 촉매는 글리세롤에서 수소를 떼어내 이동시킨 후 이산화탄소와 반응하게 해 젖산과 포름산을 생산하는 방식이다.

수소화 반응은 촉매 분야에서 많이 이용되고 있는데 수소가스는 운반이 위험하고 사용이 어렵다. 수소가스를 활용한 수소화 반응 연구 대신 수소가 액체에 포함된 액상 수소원을 활용한 연구가 주목받고 있다.

화학연에서 관련 연구를 지난 5년 동안 진행한 끝에 극소량만 넣어도 글리세롤의 탈수소화 반응과 이산화탄소의 수소화 반응을 동시에 끌어내는 새로운 촉매를 만들어낸 것이다.

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

촉매가 얼마나 빠르게 반응물을 전환시킬 수 있는지(TOF, TurnOver 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·day를 달성했다. 이는 이론적으로 기존 촉매보다 10~20배 정도 촉매 활성이 좋다. 생산량 또한 2배 정도 높은 수치다.

화학연 화학공정연구본부 황영규 본부장과 성균관대 권영욱 교수 공동 연구팀이 수행한 이번 연구결과를 국제 학술지 ‘물질화학(Chemistry of Materials)’ 12월호 표지논문(논문명: In Situ Synthesis of Trimeric Ruthenium Cluster-Encapsulated ZIF-11 and Its Carbon Derivatives for Simultaneous Conversion of Glycerol and CO2)으로 발표했다.

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

연구팀은 앞으로 계산화학을 통한 촉매 후보군 탐색 등으로 포름산과 젖산 생산수율을 추가로 높여 국가 온실가스 감축에 이바지할 실용화 기술을 계속 개발할 것이라고 다짐했다.

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