KAIST, 백금 효율 100배 높인 프로필렌 생산 촉매 개발

신규 개발 백금 촉매와 기존 상용 촉매의 성능 비교(KAIST 제공) /뉴스1

(대전=뉴스1) 김종서 기자한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 백금 효율을 기존 100 이상으로 높인 신개념 프로필렌 생산 백금 촉매를 개발했다고 12일 밝혔다.

값싼 금속 갈륨(Ga)과 알루미나(Al2O3)를 기반으로 프로필렌 생산에 들어가는 백금을 기존 고농도 대비 0.01%만 사용하면서 성능을 높였다.

프로필렌은 프로판에서 수소를 떼어내는 '프로판 탈수소화' 공정을 통해 생산할 수 있다. 이 공정에는 백금 촉매가 널리 사용돼 왔다.

백금은 탄소와 수소 사이의 결합을 끊고 수소를 제거하는 데 매우 효과적이나 가격이 높고 반복 사용 시 성능이 저하되는 단점이 있었다.

연구팀은 갈륨과 알루미나를 기반으로 백금을 꼭 필요한 만큼만 넣은 촉매를 설계해 문제를 해결했다.

갈륨은 프로판의 탄소-수소 결합을 활성화해 수소를 떼어내고 프로필렌을 생성한다. 백금은 표면에 남은 수소 원자들을 결합시켜 수소 기체(H2)로 전환, 촉매 표면에서 제거한다. 두 금속이 역할을 분담함으로써 백금 사용량을 줄이면서도 성능을 유지할 수 있게 했다.

특히 백금과 갈륨의 비율이 적절할 때 최적의 성능을 나타냈다. 연구팀은 이 이상적인 조성 비율을 과학적으로 설명하고 예측할 수 있는 정량적 지표도 제시했다.

기존 백금 촉매의 약점이었던 반복 사용할수록 백금 입자가 뭉쳐 성능이 급격히 떨어지는 소결현상도 세륨(Ce)을 소량 첨가해 억제하는 데 성공했다. 20회 이상 반응과 재생을 반복한 뒤에도 촉매 성능이 안정적으로 유지됐다.

최 교수는 "이번 연구는 백금 사용량을 기존 대비 백분의 일 수준으로 줄이면서도 성능을 유지하거나 오히려 향상시킬 수 있다는 가능성을 제시했다"며 "촉매 비용 절감, 교체 주기 감소, 폐촉매 감소 등 경제적·환경적 효과를 동시에 기대할 수 있다"고 말했다.

이번 연구는 화학 및 화학공학 분야 국제 학술지 미국화학회지에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr