단일 공정으로만 100도 이하에서 메탄올 생산 가능

한국연구재단(이사장 조무제)은 KAIST 이현주 교수와 서울대 이종협 교수 공동연구팀이“메탄 적접 전환으로 메탄올과 에탄 등의 화학원료를 생산하는 안정한 로듐 단일 원자 촉매를 개발했다”고 밝혔다.

메탄은 셰일 가스 등에 풍부하게 존재하는 화석 연료이다. 하지만 일부 지역에만 존재하고 수송비용이 높아 대부분 유전에서 버려지고 있다. 따라서 메탄을 유용한 화학 원료로 전환하는 기술이 요구된다. 기존에는 메탄을 합성가스(H2+CO)라는 중간 화합물 형태를 거쳐 메탄올 등의 화학 물질로 전환했다. 이때 섭씨 800도 이상의 고온과 다단계 공정을 거쳐야 했다.

연구팀은 로듐이 단일 원자 형태로 담지체(금속 원자를 지지하고 있는 물질로 금속 원자가 서로 뭉치지 않게 고정해주는 물질)에 분산된 단일 원자 촉매를 개발하였다. 기존 나노 입자 촉매는 메탄 중간체(CH3)가 불안정하여 이산화탄소(CO2)로 전환이 되기 쉬웠다. 그러나 단일 원자 구조에서는 메탄이 선택적으로 활성화되어 메탄 중간체가 안정적으로 존재했다.

연구팀이 개발한 촉매를 이용하여 액체 상태에서 메탄을 전환할 경우 단일 공정, 100도 이하의 저온 공정으로 메탄올을 생산하였다. 또한 기체 상태에서 메탄을 전환할 경우 300도 이하의 저온 공정으로 에탄을 생산하였다. 이는 기존 공정과 비교하면 매우 낮은 온도에서 메탄을 전환하여 고부가가치 화합물을 생산할 수 있어 에너지 효율성이 높다.

이현주 교수·이종협 교수는 “이 연구는 촉매와 메탄과의 상호작용을 원자 단위에서 깊게 이해하여 메탄을 직접 전환하는 새로운 촉매를 개발한 것이다. 메탄 직접 전환과 단일 원자 촉매의 원천 기술 확보로 메탄을 다양한 화학원료로 전환하는 기술의 토대가 될 것으로 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 C1 가스 리파이너리 사업의 지원으로 수행되었다. 화학 분야 국제학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 11월 10일자 논문으로 게재되었다.