▲ 양자역학 계산을 통한 천연가스 전환 최적 촉매 개발_ 양자역학 계산을 활용하여 천연가스 전환 에틸렌 생산 촉매를 설계하고, 이들 촉매들이 향상된 활성을 보임을 확인하였다. (사진제공 한국과학기술연구원)     © 특허뉴스

국내 연구진이 원자구조를 모델링하는 계산(시뮬레이션)을 통해 실험이 아닌 컴퓨터 계산을 활용해 촉매 후보물질을 설계하고 이를 바탕으로 최적화된 활성의 촉매를 만들어 냈다.

이 방식은 컴퓨터 계산을 활용해 여러 물질을 빠른 시간에 탐색하고 우수한 활성의 촉매를 도출할 수 있는 장점이 있다.

한국연구재단은 한국과학기술연구원 하정명, 함형철 박사 연구팀이 컴퓨터 계산을 통해 메탄가스에서 ‘화학산업의 쌀’이라 불리는 에틸렌을 얻을 수 있는 촉매를 찾아냈다고 밝혔다.

석유화학공정이나 매립쓰레기에서 얻을 수 있는 많은 양의 메탄을 에너지원으로 사용한다. 이번 연구는 메탄을 에너지원에서 한걸음 더 나아가 화학제품의 원료로 사용할 수 있는 천연가스 고부가가치화 촉매를 설계한 것이다.

메탄을 일산화탄소와 수소로 전환시켜 원료로 활용하는 간접적인 방식은 상용화 단계에 이르렀지만 효율이 낮은 편이다.

원유증류 과정에서 에틸렌을 얻는 대신 풍부하게 존재하는 메탄을 산소와 반응시켜 직접 에틸렌을 얻으려 했지만 반응이 완전히 밝혀지지 않아 적합한 촉매를 찾기 어려웠다.

연구팀은 실험을 통해 일일이 후보물질의 반응성을 확인하는 대신 컴퓨터를 이용해 다양한 후보물질을 설계하고 그 물질 표면에서 메탄이 어떻게 변화할지 예측했다.

▲ 메탄으로부터 생산된 에틸렌으로부터 얻어지는 다양한 화학제품_ 천연가스, 바이오가스의 주성분인 메탄을 직접 중합시켜 얻는 에틸렌은 화학산업의 주요 원료로서 다양한 합성수지, 플라스틱 등으로 전환되어 여러 생필품의 원료가 된다. (사진제공 한국과학기술연구원)     © 특허뉴스

실험실에서 촉매를 합성하는 데 걸리는 시간은 평균 1주, 촉매의 화학반응 특성분석에 걸리는 시간 또한 1, 2주가 소요되는 점을 감안하면, 하나의 촉매 후보군의 반응성에 대해 판단을 내리는 데 소요되는 한 달 가량의 시간을 크게 단축한 것이다.

연구팀은 압축된 촉매 후보 물질 65종류 가운데 네오디뮴(Nd)이 첨가된 스트론튬타이타네이트(SrTiO3) 촉매가 메탄의 산화를 돕는 높은 활성을 보임을 확인했다.

기존 스트론튬타이타네이트 촉매의 선택도(48.9%) 대비 15% 가까이 향상된 선택도(55.0%)를 보여 메탄 원료를 보다 효율적으로 활용할 수 있는 방안을 제시했다.

석유화학산업에서 선택도 1% 향상으로도 공정의 경제성에 큰 영향을 미치기 때문에 15% 가까이 향상된 것은 큰 의미가 있다.

▲ (연구진 사진) 왼쪽부터 함형철 책임연구원, 임서연 학생연구원, 하정명 책임연구원 (사진제공 한국과학기술연구원     © 특허뉴스

하정명 박사는 “실험만으로는 달성하기 어려운 메탄 전환 촉매 설계 방법을 개발한 것”이라며 ”향후 저가의 천연가스로부터 고부가가치화학제품을 생산하는 상용기술을 개발할 것“이라고 계획을 밝혔다.

이번 연구의 성과는 촉매화학 분야 국제학술지 ‘저널 오브 카탈리시스(Journal of Catalysis)’에 7월 10일자로 게재되었다.