무궁무진한 대덕특구 촉매 기술 주목

생명연·화학연·에너지기술연 등 연구개발 성과
항생제·수소 생산..이산화탄소 감축해 원료 변환

신규 D-트레오닌 합성효소의 구조 기반의 효소 개량 연구. 자료=생명연 제공

촉매는 스스로 변하지 않으면서 화학반응이 더 잘 일어나도록 도와주는 물질을 말한다. 반응이 너무 느려 일어나지 않을 것 같은 반응도 일어나도록 돕는다. 특히 석유화학제품 가공이 주산업인 우리나라의 산업 제품 90% 이상이 촉매로 인해 만들어졌을 정도다. 이에 촉매는 인류 화학사에서 빼놓을 수 없는 주제 중 하나다. 현재 대덕연구개발특구에는 이 같은 촉매를 이용한 신기술들이 점점 현실화되고 있다. 

18일 국가과학기술연구회(NST)에 따르면 한국생명공학연구원은 저가의 원료물질인 글리신과 아세트알데히드만으로 고순도 의약용 'D-트레오닌'을 대량 생산할 수 있는 인공 효소 및 반응공정 신기술을 개발했다. D-트레오닌은 항생제 의약품의 원료로 사용되는 분자로, 이를 합성하는 효소들은 일부 해양 유래 미생물에서 발견된다.

생명연 합성생물학전문연구단 이승구·염수진 박사팀과 경북대 생명과학부 김경진 교수팀은 해양 유래 미생물 후보군으로 효소의 분자 구조와 반응 메카니즘을 규명한 결과  D-트레오닌을 고순도로 생산하는 데 성공했다. 향후 합성생물학 분야에서 인공 효소개발과 반응공정 연구가 의약·화학 분야의 핵심 고부가가치 산업으로 부상하는 데 기여할 전망이다. 

한국화학연구원 차세대탄소자원화연구단은 이산화탄소를 기초 화학 원료인 나프타로 직접 전환하는 데 필요한 고효율 촉매 제조 기술을 개발했다. 나프타는 석유 정제과정에서 얻어지며 석유화학 기초원료나 휘발유의 원료로 사용된다. 우리나라가 화학 강국인 만큼, 기초원료 물질인 나프타의 사용은 지속적으로 필요하다. 이에 따라 진정한 탄소중립에 도달하기 위해서는 화석 연료 기반이 아닌 이산화탄소와 같은 미활용 탄소원을 활용해 나프타로 대체하는 기술이 필수적이다. 

연구팀은 이산화탄소를 낮은 온도에서도 쉽게 반응시키면서 부산물을 적게 생성하는 고성능 촉매를 개발했다. 이 기술로 인해 연간 이산화탄소 453만t을 저감하고 나프타는 254만t 생산 가능할 것으로 예측된다. 

한국에너지기술연구원은 양이온들의 환원 온도가 서로 다르다는 것을 이용, 나노입자 조성을 최적화해 적은 에너지 비용의 고효율 촉매를 개발했다. 플랫폼연구실 김병현 박사 연구진과 경북대 김명진 교수, 미국 조지아텍 이승우 교수는 하나의 금속산화물에서 온도 조절만으로 서로 다른 나노 입자를 생성해 더 많은 산소와 수소를 발생시키는 촉매를 개발하는 데 성공했다. 

연구팀은 기존의 이리듐, 백금 촉매를 사용한 상용 수전해 장치에 비해 세계 최고 수준인 61% 향상된 수소 발생을 달성했다. 또 30시간의 장기구동에서도 98% 이상의 성능을 유지해 높은 내구성을 갖는 것을 확인했다.