국내 연구진, '석유화학시장 판도 바꿀 기술' 개발

비산화 메탄 직접 전환기술 개발

한국화학연구원 한승주 박사(왼쪽)와 김용태 박사가 비산화 메탄 직접 전환기술의 핵심인 단원자 철 촉매를 들여다보고 있다.

[아시아경제 김철현 기자] 전 세계에서 미국과 중국만 보유한, '석유화학시장의 판도를 바꿀 게임 체인저 기술'이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한국화학연구원은 탄소자원화연구소 김용태·김석기 박사팀이 이산화탄소보다 강력한 온실가스인 메탄을 화학원료와 수소 등으로 99% 전환하는 '비산화 메탄 직접 전환기술'을 개발했다고 24일 밝혔다.

비산화 메탄 직접 전환기술은 산소와 같은 산화제 없이 메탄으로부터 화학원료를 얻는 기술이다. 산화 메탄 직접 전환기술에 비해 경제성과 안전성이 높다. 하지만 기술 난이도가 높은 탓에 아직까지 상용화되지 못했다. 현재 중국 대련화학물리연구소가 2014년 사이언스지에 관련 논문을 발표한 후, 사우디아라비아 석유화학사와 공동으로 사업화를 진행하고 있다.

김용태 박사는 "지금까지 중국이 사이언스지에 발표한 비산화 메탄 직접 전환기술을 재현한 연구그룹이 없었다"며 "한국화학연구원이 베일에 가려져있던 기술을 밝혀낸 것"이라고 말했다. 김 박사는 이어 "미국 메릴랜드대학교가 2016년과 2019년 중국의 연구결과를 토대로 새로운 반응기를 개발하는 논문을 발표했으나 촉매합성과 반응활성 재현, 제조법 확립 등 실제 반응이 일어나는 메커니즘까지는 규명하지 못했다"면서 "이 같은 메커니즘을 모두 밝혀낸 건 한국화학연구원이 처음"이라고 덧붙였다.

메탄은 석유화학공정과 셰일가스에서 대량으로 나오는 저렴한 가스다. 현재 연간 메탄 발생량 6억 톤 중 96%가 난방·발전용 열원으로 사용되고 단 4%만 화학원료로 사용되고 있다. 이에 전 세계 연구자들은 메탄을 화학원료로 전환해 활용하는 방법을 고민해왔다.

한국화학연구원 연구진이 개발한 기술의 핵심은 '단원자 철' 촉매이다. 연구진은 실험계산화학과의 융합연구를 통해 촉매 표면을 최적화하는 데 성공했다. 기존 촉매가 여러 원자들이 뭉쳐있는 탓에 연쇄적으로 반응이 일어나는 데 반해, 신규 촉매는 여러 개의 단원자가 촉매 표면에 흩어져있는 형태로 각각의 단원자에서 한 번씩만 화학반응이 일어난다. 그 결과 기존 촉매에서 연쇄 반응으로 인해 생성되는 이산화탄소와 코크 등의 부산물이 생기지 않고 연쇄 반응에 들어가는 불필요한 에너지도 줄어들어 에너지 효율이 높아졌다.

연구진에 따르면 이를 통해 메탄으로부터 선택적으로 C2 화합물 86%, 방향족 화합물 13%를 전환했고, 부산물로 수소를 얻었다. 나머지 1% 이하는 코크 생성량이다. 즉 메탄의 화학원료 전환율이 99%에 달하는 것이다. 김석기 박사는 "이번 연구 결과는 촉매 표면의 성질에 따라 부산물이 억제되는 메커니즘을 밝혔다는 데 학술적인 의미가 있다"면서 "앞으로 수율을 더욱 향상시키는 촉매기술을 개발하는 데 많은 도움이 될 것"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 촉매분야 최고 권위지인 'ACS 카탈리시스' 9월호에 표지논문으로 게재됐다.

김철현 기자 kch@asiae.co.kr