 |
| 한국화학연구원 탄소자원화연구소 한승주 박사는 ACS Catalysis 9월호 표지논문으로 채택된 비산화 메탄 직접 전환 기술을 설명하고 있다./아시아뉴스통신=이기종 기자 |
[아시아뉴스통신=이기종 기자] 한국화학연구원은 탄소자원화연구소가 이산화탄소보다 강력한 온실가스인 메탄을 석유화학의 쌀인 에틸렌을 비롯한 화학원료와 수소 등으로 99% 전환하는 ‘비산화 메탄 직접 전환기술’을 개발했다고 27일 밝혔다.
일반적으로 메탄은 석유화학공정 등에서 대량으로 나오는 저렴한 가스이며 현재 연간 메탄 발생량 6억 톤 중 96%가 난방·발전용 열원으로 사용되고 단 4%만 화학원료로 사용되고 있어 전 세계 연구자들은 메탄을 화학원료로 전환해 활용하는 방법을 연구하고 있다.
메탄 전환기술은 크게 간접전환과 직접전환으로 나뉘고 간접전환은 메탄과 산화제를 반응시켜 합성가스를 만든 후 합성가스로부터 화학원료를 얻는 기술로 상용화돼 있지만 효율이 낮다.
이러한 제한점으로 연구자들이 직접전환 상용화에 힘쓰고 있지만 메탄 직접 전환 과정에서 발생하는 메틸 라디칼을 제어할 수 없는 탓에 다량의 코크(coke·탄소침전물)가 발생하고, 화학원료의 수율(투입 대비 생산량 비율)도 확보하기 어려웠다.
또 비산화 메탄 직접 전환기술은 산소와 같은 산화제 없이 메탄으로부터 화학원료를 직접 얻는 기술이며 산화 메탄 직접 전환기술에 비해 경제성과 안전성이 높다.
그러나 기술 난이도가 높은 탓에 아직까지 상용화되지 못했고 현재 중국 대련화학물리연구소가 2014년 사이언스지에 관련 논문을 발표한 이후 사우디아라비아 석유화학사인 SABIC과 공동으로 사업화를 진행하고 있다.
이번 연구진은 1000℃이상의 고온에서 산화제 없이 메틸 라디칼을 제어하면서도 에틸렌과 벤젠 등의 화학원료로 99% 전환하는 비산화 메탄 직접 전환기술을 개발했다.
 |
| 한국화학연구원 탄소자원화연구소 한승주 박사는 단원자 철 촉매를 만들기 위한 전구체 물질를 제조하는 과정을 설명하고 있다./아시아뉴스통신=이기종 기자 |
 |
| 한국화학연구원 탄소자원화연구소 한승주 박사는 고온 용융법(High temperature melting)을 통해 단원자 철 촉매를 제조하는 과정을 설명하고 있다./아시아뉴스통신=이기종 기자 |
이번에 개발한 기술의 핵심은 ‘단원자 철’ 촉매이며 실험계산화학과의 융합연구를 통해 촉매 표면을 최적화하는데 성공했다.
특히 기존 촉매가 여러 원자들이 뭉쳐있는 탓에 연쇄적으로 반응이 일어나는 데 반해 신규 촉매는 여러 개의 단원자가 촉매표면에 흩어져있는 형태로 각각의 단원자에서 한 번씩만 화학반응이 일어난다.
이 연구결과에 의하면 기존 촉매에서 연쇄 반응으로 인해 생성되는 이산화탄소와 코크 등의 부산물이 생기지 않고 연쇄 반응에 들어가는 불필요한 에너지도 줄어들어 에너지 효율이 높아졌다.
이를 통해 메탄으로부터 선택적으로 C2 화합물(에틸렌, 에탄, 아세틸렌) 86%, 방향족 화합물(벤젠, 자일렌, 톨루엔, 나프탈렌 등) 13%를 전환했고 부산물로 수소를 얻는 등 메탄의 화학연료 선택도가 99%에 달했다.
이 연구과제의 역할 분담은 김용태 박사는 과제책임자로서 연구 설계 등 총괄 책임을 맡았고 한승주 박사는 촉매 합성, 촉매 특성분석, 밀도범함수 이론(DFT, density functional theory)을 활용한 메커니즘 계산, 논문 작성 등을 수행했다.
또 김석기 박사는 DFT 계산 수행, 논문 작성 등을 했고 김현우 박사는 DFT 계산 등을 수행했으며 이성우 연구원은 반응기 설계와 반응 실험 등을 했다.
 |
| 한국화학연구원 탄소자원화연구소 한승주 박사와 이성우 연구원은 단원자 철 촉매와 폴리에틸렌 생성물을 설명하고 있다./아시아뉴스통신=이기종 기자 |
한승주 박사는 “한국이 향후 전 세계 메탄 직접 전환 기술을 이끌 수 있을 것”이라고 말했다.
이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 C1리파이너리사업, 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐고 촉매분야 최고 권위지인 ‘ACS(American Chemical Society) Catalysis(IF:12.221)’ 9월호에 게재했다.
