국내 연구진이 메탄을 고부가가치 화합물로 전환하는 친환경 기술 개발에 성공했다. 빛을 이용한 환경친화적 방식으로 지속가능한 에너지와 환경에 기여할 수 있는 기술로 전망된다.

21일 아주대학교(총장 최기주)는 유성주 교수(화학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 플라즈몬 기술을 활용, 메탄의 선택적 산화 과정을 거쳐 고부가가치 화합물을 생산하는 친환경 화학 프로세스를 구현했다고 밝혔다. 
 
해당 연구는 ‘산소 분자의 선택적 부분 산화 작용 촉진을 위한 저(低)에너지 화학 프로세스 연구(Plasmon-Driven Selective Methane Oxidation to Formic Acid at Ambient Conditions)’라는 논문으로 에너지 분야 국제 학술지인 <ACS 에너지 레터(ACS Energy Letters)>에 2월 9일자로 출판됐다. 연구 우수성을 인정받아 본 학술지의 표지논문으로 선정됐다. 이번 연구에는 아주대 박은덕 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과)가 공동 교신저자로 참여했고, 투이 하 응우옌(Thuy Ha Nguyen) 아주대 대학원 에너지시스템학과 박사과정 학생이 제1저자로 함께 했다. 

최근 천연가스의 주요 성분인 메탄(CH4)의 온실효과 영향에 대한 지적이 제기됐다. 가정용·산업용 연료로 널리 활용되는 메탄이 이산화탄소(CO2)보다 약 23배 강력한 온실효과를 일으킨다는 것이다. 지속가능한 에너지 미래를 위해 탄소자원화 연구를 활발하게 진행 중인 아주대 유성주 교수 연구팀은 메탄의 친환경 활용 방안에 주목했다. 

화학계에서는 메탄을 유용물질로 전환하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 메탄을 알코올, 알데히드, 산과 같은 유용한 화합물로 전환시키기 위해서는 원래 에너지 소비가 높은 여러 단계의 복잡한 과정을 거쳐야 했다. 이 과정에서 온실가스 방출 관련 대기환경 문제와 고가의 산화제 사용 등 경제적 효율성이 떨어지는 문제점이 발생했다. 

아주대 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 빛과 금 나노입자의 분광학적 상호작용을 이용해 산소(O2)의 양자역학적 성질을 변화시켜 메탄의 완전 산화 경로를 억제하는 저에너지 화학 프로세스를 개발했다. 금 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 빛에 의해 들뜬 금속 나노입자의 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동
 특성을 활용하여 산소(O2) 분자의 스핀 상태를 삼중항 특정 에너지 준위에 있는 한 쌍의 전자가 서로 같은 방향의 스핀을 갖는 상태
에서 단일항 특정 에너지 준위에 있는 한 쌍의 전자가 서로 반대 방향의 스핀을 갖는 상태

으로 변화시킨 것. 단일항으로 스핀 전이된 산소가 동일한 스핀 상태의 메탄과 상온에서 쉽게 결합을 형성했다. 

아주대 연구팀은 메탄 산화 과정에 필요한 활성화 에너지를 효과적으로 낮추는 상온상압 금속 촉매 및 반응 시스템을 구현했고, 메탄은 고온고압의 과정을 거치지 않음으로써 완전 산화되는 경로가 억제됐다.

연구팀은 이러한 부분 산화 반응으로 기체 상태의 메탄을 고부가가치 화합물인 액체 상태의 포름산(HCOOH)으로 97% 이상 전환에 성공했다. 전환된 포름산은 섬유, 바이오 등 다양한 산업에서 활용될 뿐만 아니라 수소(H2)의 저장과 이동 시 사용할 수 있는 화합물로, 미래 지속가능한 에너지 활용에 중요한 화합물이라는 점에서 이번 연구는 큰 의의가 있다.
 
유성주 교수는 “이 연구는 분자의 스핀 전이가 관여된 촉매작용에 관한 연구 결과로서 새로운 탄소자원화 방안을 제시한 점, 현 분야의 이슈들 중 하나인 산화작용의 원리를 규명한 점에서 학술적 의의가 있다”라고 말했다.

이어 유 교수는 “이번에 개발한 기술은 산소 분자의 양자역학적 특성 조작으로 기존 메탄 활용 기술에 필요한 에너지 소모량과 이산화탄소 배출을 획기적으로 감소시킨 유용한 친환경 기술”이라며 “앞으로 지속적인 연구를 통해 고효율 화학 기술 공정 개발과 탄소 활용, 수소에너지, 미세먼지 등 미래 에너지 환경 문제 해결에 도움 될 수 있기를 기대한다”라고 말했다. 
 
이번 연구는 한국연구재단 한국연구재단의 C1가스리파이너리사업, 자율운영 중점연구소지원사업, 우수신진연구의 지원으로 수행됐다.

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