광물 제올라이트 모방 촉매…온실가스 메탄, 유용한 화합물로 전환

포스텍

메탄을 메탄올로 산화시키는 반응을 촉진하는 광물 제올라이트. 위키미디어 제공

국내 연구진이 광물 제올라이트를 모방한 탄소-수소 활성화 촉매 시스템을 개발했다. 제올라이트는 강력한 온실가스인 메탄가스를 유용한 화합물인 메탄올로 전환한다. 이번 연구는 다양한 형태의 새로운 촉매 개발 가능성을 보여줬다는 평가를 받는다.

포스텍은 황승준 화학과‧첨단재료과학부 교수 연구팀이 제올라이트를 모방한 탄화수소 활성화 촉매를 개발했다고 22일 밝혔다. 

메탄가스는 이산화탄소로 전환해 배출된다. 메탄가스를 메탄올로 전환하면 온실가스 배출을 줄이고 에너지 효율을 높일 수 있다. 하지만 메탄 분자의 강력한 탄소-수소 결합을 끊는 것이 어려워 이를 위한 효과적인 촉매 개발이 필요하다.

연구팀은 자연에서 쉽게 발견되는 광물인 제올라이트에 주목했다. 제올라이트는 메탄을 메탄올로 산화하는 반응을 촉진한다고 알려졌지만 광물에 포함된 알루미늄 등의 원소들이 어떻게 반응에 영향을 미치는지는 그간 명확하게 밝혀지지 않았다. 

연구팀은 구리와 알루미늄을 결합한 새로운 형태의 촉매를 개발했다. 이 촉매는 ‘다중 금속 복합체’로 두 금속의 결합을 통해 반응 효율을 크게 개선할 수 있는 것으로 나타났다.

실험 결과 알루미늄이 포함된 경우 기존 대비 활성화 가능한 탄화수소의 결합 세기가 증가했다. 반응속도도 14배 증가해 반응 효율이 크게 향상됐다. 특히 알루미늄이 포함된 촉매는 결합 해리 에너지(화학 결합이 균형을 분해해 끊어지는 데 필요한 에너지)를 가진 탄소-수소 결합을 활성화해 기존 구리 복합체 촉매 중 가장 뛰어난 성능을 보였다. 

연구팀은 또한 알루미늄이 구리와 상호작용하며 촉매 전자 밀도를 변화시키고 이를 통해 반응을 더 원활하게 만든다는 사실을 발견했다. 이 전자 밀도 변화는 탄소-수소 결합 활성화 반응에서 에너지 장벽을 낮춰 반응속도를 가속하는 역할을 했다. 연구팀은 “이번 연구는 그동안 밝혀지지 않았던 알루미늄 금속의 촉매 작용 메커니즘을 밝혀냈다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다.

연구를 이끈 황 교수는 “이번 연구를 통해 제올라이트 기반의 촉매 설계를 위한 중요한 단서를 제공했다”며 “다양한 불균일계 촉매에 대한 이해를 높이고 새로운 촉매 개발 및 에너지 효율 향상에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘미국화학회지’에 지난달 18일 게재됐다.

<참고 자료>

- doi.org/10.1021/jacs.4c11614

[박정연 기자 hesse@donga.com]