장민 광운대 교수, 탄산프로필렌 생산 단일 원자 촉매 개발

황건덕(왼쪽) 박사후 연구원과 장민 광운대 환경공학과 교수

광운대학교는 최근 장민 환경공학과 교수가 황건덕(Wong Kien Tiek) 박사후 연구원(제1저자)과 함께 단일 원자 Mo로 도핑된 흑연질 탄소 질화물(graphitic carbon nitride, GCN) 나노시트를 개발했다고 13일 밝혔다.

연구팀은 산화프로필렌(propylene oxide, PO)에 이산화탄소(CO2)의 촉매 삽입(catalytic insertion)을 위한 활성 부위의 가용성을 최대화하는 데 성공했고, 고리 첨가 공정을 활용해 공업용 가치가 있는 탄산프로필렌(propylene carbonate, PC)을 확보했다.

기술 경제성 평가를 실시한 결과 모의 산업 규모에서 시간당 4.4톤의 CO2를 소비해 시간당 10.2톤의 PC를 생산했다. 이는 연간 6039만 달러의 이익을 낼 수 있는 생산량이다.

환경 문제에 대한 인식이 높아짐에 따라 기후 변화에 대한 세계적 대응도 한층 강화되고 있다. 세계 각국 정부는 지구의 온도를 산업화 이전 수준으로 돌리기 위해 대기 중 CO2 농도를 줄이고 있다.

이런 측면에서 온실 가스를 대기 또는 점 오염원에서 분리하는 탄소 포집과 활용법은 CO2를 부가가치 화학 물질로 변환하는 새로운 기술이자 매력적인 전략이라고 할 수 있다.

열역학적과 동역학적으로 안정적인 CO2는 C=O 결합을 활성화하기 위해 806 kJ mol-1이라는 높은 에너지를 필요로 한다. 연구팀은 촉매 내에 루이스 산/염기 그룹이 공존하는 방법을 사용해 CO2 고리첨가 성능을 향상했다.

이는 전자 결핍 Mo 원자와 PO의 O원자 사이의 배위 결합 형성에 의해 CO2가 고리에 첨가되는 것을 용이하게 하는 반면, -NH2 표면 그룹은 전자를 낮은 수준의 빈 궤도에 공여해 CO2의 결합 안정성을 저해한다.

DFT 시뮬레이션 결과 Mo2GCN 촉매 성능이 PO 개환에 대한 활성화 에너지 장벽을 50-60에서 4.903 kcal mol-1로 크게 감소시키는 것을 확인했으며, 재사용 실험을 통해 PC생산에 대한 촉매의 안정성을 입증했다.

한편 이번 연구는 교육부 한국연구재단 기초과학연구사업과 UNIST의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 지난해 11월 20일 'Highly Exposed -NH2 Edge on Fragmented g-C3N4 Framework with Integrated Molybdenum Atoms for Catalytic CO2 Cycloaddition: DFT and Techno-Economic Assessment'라는 제목으로 Small(Wiley)에 게재됐다.

장민 광운대 환경공학과 교수의 연구 이미지 자료/사진=광운대

권태혁 기자 taehkd@mt.co.kr

<저작권자 ⓒ '돈이 보이는 리얼타임 뉴스' 머니투데이, 무단전재 및 재배포 금지>