수소화 반응 상온에서 저렴하게.. 산업계 비용절감

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 식품 산업이나 정유산업 등에 쓰이는 기술인 수소화 반응을 저렴하게 상온에서 일으키는 기술을 개발했다. 값비싼 귀금속 촉매를 사용하지 않는다는 점에서 관련 산업계의 전반에 비용 절감이 예상된다. 한국화학연구원 화학공정연구본부 황영규 본부장과 울산대 정재훈 교수 공동 연구팀은 이 같은 수소화 반응 촉매 연구결과를 세계적인 촉매 분야 권위지인 '미국 화학회 촉매(ACS Catalysis)' 3월호에 표지논문으로 발표했다.

수소화 반응 상온에서 저렴하게

새로 개발한 금속유기골격체(MOF) 촉매의 반응을 통해 상온에서 바이오매스인 퍼류랄을 화학원료인 퍼류릴 알콜로 전환하는 것을 나타낸 그림이다. 연구진은 MOF 촉매의 표면을 알코올로 활성화해 촉매의 안정성을 향상시켰다. 또 반응 면적을 넓혔다. 그 결과, 수소화 반응의 활성화 에너지를 낮춰 30℃ 이하의 상온에서도 바이오매스로부터 화학원료를 손쉽게 생산할 수 있게 됐다.

연구팀은 자체 개발한 금속유기골격체(MOF) 촉매에 알코올을 넣고 단순 가열해 상온에서 수소화 반응을 일으키는데 성공했다. 연구팀은 MOF 촉매에 알코올을 넣고 끓이면 MOF의 지르코늄 산화물 부분에 수소화 반응이 생겨나는 것을 파악했다. 이어 반응하는 지점이 점차 늘어났고 상온 30℃까지 온도를 낮춰도 쉽게 수소화 반응이 일어나는 것을 확인했다.

연구진은 MOF 촉매를 이용해 상온에서 바이오매스 '퍼퓨랄(Fufural)'을 화학원료인 '퍼퓨릴 알코올(Furfuryl alcohol)'로 전환하기도 했다. 이 외에도 이 방식을 통해 석유화학공정과 바이오화학공정에 사용되는 중간체 7종을 만들기도 했다.

수소화 반응은 액상수소원과 반응물을 촉매에 함께 넣어 새로운 생성물을 얻는 화학 반응이다. 플라스틱·연료·섬유·고무 등을 생산하는 석유화학공정의 중간체, 의약품·화장품 등을 생산하는 정밀화학공정의 중간체, 바이오 화학공정의 바이오매스를 합성하는 데 널리 쓰인다. 일반적으로 수소화 반응은 100℃ 이상의 고온에서 이뤄진다. 상온에서 수소화 반응을 일으킬 경우 팔라듐, 플래티늄 등 값비싼 촉매를 써야 한다.

폐열로 수소화 반응

사진 = 게티이미지

연구팀은 자체 개발한 촉매를 기존 공정에 활용할 경우 기존 공정에서 나오는폐열을 통해 수소화 반응을 일으킬 수 있을 것으로 봤다. 석유화학공정 등에서 발생하는 폐열은 보통 80℃ 이상이다. 통상 석유화학 공장에서는 환경에 미치는 영향을 감안해 냉각수로 식혀 40℃ 이하로 떨어뜨린 후 공기 중으로 배출하고 있다. 연구팀은 냉각수로 식힌 폐열을 새로운 수소화 반응의 반응열로 활용하게 되면 폐열 재활용은 물론이고, 온실가스 감소에도 기여할 것으로 기대했다.

또한 연구팀은 수소화 반응의 수소 전달 메커니즘도 새로 규명했다. 실제 실험과 계산과학을 통해 수소화 반응이 촉매와 반응물의 6각링 전이상태를 거치는 게 아니라, 8각링 전이상태를 거쳐 진행된다는 것을 밝혀냈다. 지난 10년간 연구자들은 미국 위스콘신대 화학생물공학과 듀메식(James A. Dumesic) 교수가 설명한 6각링 전이상태를 바탕으로 촉매를 만들어왔다. 지금까지 전이상태를 잘못 알고 있던 것이다.

한국화학연구원 황영규 본부장은 "수소 전달 과정의 전이상태 중간체가 밝혀졌기 때문에 이를 바탕으로 한 새로운 촉매 반응경로 연구 등이 활발하게 이뤄질 것"이라며 "석유화학과 정밀화학, 바이오화학 공정 등에 미치는 영향이 클 것"이라고 밝혔다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr