KAIST, 친환경 플라스틱 생산 공정 촉매 개발

4,4’-메틸렌디아닐린을 선택적으로 생성하는 반응 메커니즘.(KAIST 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 플라스틱 친환경 생산 공정에 들어가는 촉매를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 인하대 화학공학과 이용진 교수 연구팀과 폴리우레탄 기초 원료인 메틸렌디아닐린 제조에 있어 높은 촉매 활성과 선택도를 갖고 뛰어난 장기 안정성을 갖춘 LTL 제올라이트 기반 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

제올라이트는 알루미늄 산화물과 규산 산화물의 결합으로 생성된 다공성, 결정성 물질로 흡착제, 이온교환제, 합성세제, 촉매 등 다양한 분야에 응용되고 있는 소재다.

제올라이트 촉매의 경우 메틸렌디아닐린 합성 반응물과 생성물의 분자 크기가 매우 크기 때문에 마이크로 기공에서의 확산 속도 제한으로 야기되는 낮은 활성이 고질적인 문제점으로 지적됐다.

이에 연구팀은 4,4’-메틸렌디아닐린을 선택적으로 합성하고 올리고머의 형성을 억제할 수 있는 최적화된 제올라이트 촉매를 설계했다.

이를 통해 지금까지 발견된 250개 이상의 제올라이트 구조 중 LTL 제올라이트 구조가 4,4’-메틸렌디아닐린의 합성에 이상적임을 발견했다.

또 LTL 제올라이트의 결정 내부에 거대 분자의 확산을 비약적으로 높일 수 있는 추가의 기공을 뚫어서 일종의 '분자 고속도로'를 만들어 느린 분자 확산 문제를 해결했다.

일반적인 LTL 제올라이트(왼쪽), 메조기공이 도입된 신규 LTL 제올라이트(오른쪽)의 분자확산 모식도.(KAIST 제공)/뉴스1

이 같이 마이크로 기공과 메조기공을 동시에 포함한 신규 LTL 제올라이트 촉매는 일반 LTL 제올라이트에 비해 8배 이상 증진된 활성을 보였고, 염산 촉매를 이용한 촉매 공정에 비해 10% 이상 증진된 4,4’-메틸렌디아닐린 수율을 나타냈다.

이 밖에도 신규 개발한 촉매가 장기 연속 반응 공정에서도 우수한 안정성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

가장 큰 장점은 신규 제올라이트 촉매를 사용한 공정은 염산 기반의 공정과 달리 중화 공정이 필요하지 않고, 폐수 발생이 전무하다는 점이다.

최민기 KAIST 교수

연구를 주도한 최민기 교수는 “이번 연구는 유수의 화학 기업들이 개발에 난항을 겪고 있던 메틸렌디아닐린의 친환경 생산 공정 개발에 돌파구를 제시한 국내 고유의 기술적 성과라 할 수 있다"며 "연구진은 한화솔루션과 긴밀하게 협업해 신규 촉매 기술을 상업적으로 적용하는 연구를 수행할 예정"이라고 말했다.

또 "세계 최초의 메틸렌디아닐린의 친환경 생산 공정 개발을 국내 기술력으로 달성하려고 한다”고 했다.

KAIST 생명화학공학과 이수성 석사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 한화솔루션의 지원을 받아 수행됐다.

연구결과는 화학 분야의 권위적인 국제학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’ 온라인 판에 게재됐다.

memory4444444@news1.kr