황준호기자
나프타 분해 공정이 이뤄지는 석유화학공장(기사와는 무관)
[아시아경제 황준호 기자] 우리 몸에서 촉매 역할을 하는 효소를 모방한 산업용 촉매가 개발됐다. 효소가 부드러운 유기 고분자로 둘러싸여 선택적으로 촉매 반응을 일으키는 것처럼, 금속촉매를 유기고분자 물질로 감싸 선택적인 화학반응만 이끌어내는 촉매다. 석유화학 공정 등에서 촉매의 효율을 극대화할 수 있을 것으로 예상된다. 한국과학기술원(KAIST)은 최민기 생명화학공학과 교수, 김형준 화학과 교수 공동 연구팀이 고성능 산업용 촉매를 개발해, 연구 결과가 사이언스 어드밴시스에 실렸다고 30일 밝혔다.
일반적인 무기산화물(실리카)에 담지된 금속 촉매와 유기 고분자에 담지된 금속 촉매의 아세틸렌 및 에틸렌 수소화 전환율 비교
연구팀은 실생활에 흔히 쓰이는 플라스틱, 비닐 등의 재료인 화학 원료를 만들 때 자연계 효소와 동일한 원리로 반응물을 선택적으로 전환할 수 있는 고성능 산업용 촉매를 개발했다.
효소는 지구상 존재하는 촉매 중 가장 효율이 좋은 물질이다. 효소는 부드러운 유기 고분자인 단백질로 둘러싸인 형태로 구성돼 있는데, 단백질의 구조에 따라 원하는 화학반응을 이끌어 낸다.
연구팀은 이같은 효소의 특성을 이용한 촉매를 개발했다. 효소처럼 부드럽고 유동성을 갖고 있는 폴리페닐렌설파이드(PPS)라는 플라스틱 물질로 구성된 고분자 막으로 금속촉매를 감싼 형태의 촉매다. 이 물질은 내열성과 내화학성이 뛰어나, 자동차나 항공우주산업 등에서 많이 쓰이고 있다.
무기 산화물 및 유기 고분자를 이용하여 합성한 금속 촉매 모식도
연구팀은 개발한 촉매로 에틸렌 생산 공정 중 가장 중요한 아세틸렌 수소화 반응에 적용했다. 우리나라 석유화학 산업의 원료는 90% 이상이 나프타인데, 나프타분해시설(NCC)에서 이를 분해해 에틸렌 및 기타 기초유분들을 생산하고 있다. 특히 에틸렌은 주변에 흔한 플라스틱, 비닐, 접착제, 페인트까지 일상에서 사용하는 다양한 제품을 만드는데 이용하는 기본 핵심 화학 원료다. 다만 나프타를 분해해 에틸렌을 생산할때는 1% 미만의 아세틸렌이 발생한다. 아세틸렌은 에틸렌으로 화학제품을 만드는데 치명적인 물질이어서 반드시 제거해야 한다.
연구팀은 새로 개발한 촉매를 이 공정에 적용해 아세틸렌만 선택적으로 뽑아냈다. 1% 미만의 아세틸렌은 PPS 고분자막을 투과해 화학반응을 일으킨 반면, 99% 이상의 에틸렌은 고분자막에 막혀 촉매 반응이 발생하지 않았다. 연구팀은 기존 촉매와 비교할 때 선택도는 2배 이상, 안정성은 10배 이상 향상됐다고 밝혔다.
최민기 교수는 "자연계의 효소를 모방해 원하는 반응물만 선택적으로 전환할 수 있으면서도 매우 우수한 안정성을 갖는 촉매 설계 방법은 세계적으로 보고된 바가 없던 새로운 개념"이라며 "향후 높은 선택도가 있어야 하는 다양한 화학반응에 폭넓게 응용 및 적용될 수 있을 것"이라고 전망했다.
황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr<ⓒ경제를 보는 눈, 세계를 보는 창 아시아경제(www.asiae.co.kr) 무단전재 배포금지>