KAIST "극소량 백금으로 프로필렌 생산 '신개념 촉매' 개발"

극소량의 백금으로 프로필렌(propylene)을 생산할 수 있는 신개념 촉매가 개발됐다. 프로필렌은 플라스틱, 섬유, 자동차 부품, 전자제품 등 다양한 제품생산 과정에 사용되는 필수적인 원료로, 석유화학 산업의 핵심으로 꼽힌다.

생명화학공학과 최민기 교수(왼쪽), 생명화학공학과 이수성 박사과정(오른쪽). KAIST 제공

KAIST는 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 값싼 금속 갈륨(Ga)과 알루미나(Al2O3)를 기반으로 백금을 극소량(100ppm, 0.01%)만 사용한 촉매를 개발해 프로필렌을 생산하는 데 활용할 수 있게 됐다고 12일 밝혔다.

프로필렌은 프로판(propane)에서 수소를 떼어내는 '프로판 탈수소화(PDH, propane dehydrogenation)' 공정으로 생산한다. 그간 이 공정에서는 백금 촉매가 널리 사용돼 왔다. 백금이 탄소와 수소 사이의 결합을 끊고, 수소를 제거하는 데 매우 효과적인 까닭이다. 다만 백금은 가격이 높고, 반복 사용할 때 성능이 저하되는 단점을 보인다.

이에 연구팀은 갈륨과 알루미나를 기반으로 극소량의 백금을 넣은 촉매를 설계해 이러한 문제를 해결했다. 특히 이 촉매는 기존 고농도 백금(1만ppm)을 사용한 상용 촉매보다 성능이 뛰어나다.

갈륨으로 프로판의 탄소-수소 결합을 활성화해 수소를 떼어내고 프로필렌을 생성하면, 백금이 표면에 남은 수소 원자를 결합해 수소 기체(H2)로 전환해 촉매 표면에서 제거하는 것이 새로운 촉매의 핵심 원리다.

이 같은 원리를 이용하면 두 금속의 역할이 분담돼 백금 사용량을 줄일 수 있는 동시에 고성능을 유지할 수 있게 된다.

갈륨(Ga)과 백금(Pt) 사이의 촉매 협업 작용을 나타낸 모식도. KAIST 제공

연구팀은 백금과 갈륨의 비율이 적절할 때 최적의 성능을 나타내는 것도 입증했다. 또 이상적인 조성 비율을 과학적으로 설명하고, 예측할 수 있는 정량적 지표도 제시했다.

백금을 반복적으로 사용할 때 백금 입자가 뭉쳐 성능이 급격히 떨어지는 '소결(sintering)' 현상도 해결했다. 연구팀은 세륨(Ce)을 소량 첨가해 백금 입자의 뭉침을 억제하는 데 성공, 20회 이상 반응과 재생을 반복했을 때도 촉매 성능이 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

최민기 교수는 "이번 연구는 백금 사용량을 기존 대비 1/100 수준으로 줄여도 성능은 그대로 유지되거나 오히려 높아질 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다"며 "이를 토대로 촉매 비용 절감, 교체 주기 감소, 폐촉매 감소 등 경제·환경적 효과를 동시에 기대할 수 있게 됐다"고 말했다.

그러면서 "연구팀은 향후 대규모 공정 실증과 상업화 가능성을 검토할 예정"이라며 "연구팀이 개발한 신개념 촉매가 산업 현장에 실제 적용된다면 프로필렌 생산의 경제성과 효율성도 향상될 것"이라고 강조했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단과 한화솔루션㈜의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 결과(최민기 교수 교신저자, 박사과정 이수성 학생 제1 저자 참여)는 최근 화학 및 화학공학 분야 학술지 '미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr