KAIST, 백금 100분의 1로 ‘프로필렌’ 생산…신개념 촉매 개발 2

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 석유화학 산업의 핵심 원료인 ‘프로필렌(propylene)’을 저렴하고 효율적으로 생산할 수 있는 신개념 촉매를 국내 연구진이 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 최민기 교수팀이 백금은 극소량(100ppm, 0.01%)만 사용하고 값싼 금속 갈륨(Ga)과 알루미나(Al2O3) 기반의 새로운 프로필렌 생산 촉매를 개발했다고 12일 밝혔다.

이 촉매는 기존 고농도 백금(1만ppm)을 사용한 상용 촉매보다 100배나 뛰어난 성능이지만 가격은 저렴하다.

플라스틱, 섬유, 자동차부품, 전자제품 등 다양한 제품의 생산에 반드시 들어가는 프로필렌은 프로판(propane)에서 수소를 떼어내는 프로판 탈수소화(PDH) 공정을 통해 생산하며 이 공정에 백금 촉매가 널리 사용된다.

백금은 탄소와 수소 사이의 결합을 끊고 수소를 제거하는 데 매우 효과적이지만 가격이 높고 반복 사용 시 성능이 저하되는 단점이 있다.

이번에 최 교수팀은 갈륨과 알루미나를 기반으로 백금을 필요한 만큼만 넣은 촉매를 설계하는데 성공했다.

새로운 촉매의 경우 갈륨은 프로판의 탄소-수소 결합을 활성화해 수소를 떼어내고 프로필렌을 생성하며 백금은 표면에 남은 수소 원자들을 결합시켜 수소 기체(H₂)로 전환, 촉매 표면에서 제거한다. 이런 두 금속의 역할분담을 통해 연구팀은 백금 사용량을 줄이면서도 성능을 유지시켰다.

특히 연구팀은 백금과 갈륨의 비율이 적절할 때 최적의 성능을 보인다는 점을 확인, 이상적인 조성 비율을 과학적으로 예측할 수 있는 정량적 지표도 제시했다.

또 세륨(Ce)을 소량 첨가해 백금 입자의 뭉침을 억제하는 데 성공해 기존 백금 촉매의 약점이던 반복 사용할수록 백금 입자가 뭉쳐 성능이 급격히 떨어지는 ‘소결(sintering)’ 문제를 해결했다. 연구팀 검증 결과, 20회 이상 반응과 재생을 반복한 뒤에도 촉매 성능이 안정적으로 유지됐다.

이번 연구는 최민기 교수가 교신저자로, 박사과정 이수성 학생이 제1저자로 참여했으며 결과는 화학 및 화학공학 분야 최고 권위 학술지인 미국화학회지(JACS) 2월13일 자로 게재됐다.

최민기 교수는 “백금 사용량을 기존 대비 100분의 1 수준으로 줄이면서도 성능을 유지하거나 오히려 향상시킬 수 있는 가능성을 확인했다”며 “촉매 비용 절감, 교체 주기 감소, 폐촉매 감소 등 경제적·환경적 효과를 동시에 기대할 수 있을 것”이라고 말했다.
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