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천연가스 활용 새 촉매 시스템 개발
천연가스 활용 새 촉매 시스템 개발
  • 교수신문
  • 승인 2019.09.11 11:03
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아주대 연구팀, 메탄을 상온에서 산화가능 기술

안정적 메탄, 공기중 산소 이용 산화
오염 유발 막는 신환경기술에도 적용
기존 석유화학제품보다 가격 경쟁력

아주대학교 연구진이 셰일가스 등 천연가스의 주성분인 메탄을 상온에서 산화시킬 수 있는 '효소모방 촉매 시스템'을 개발했다. 이에 따라 풍부한 에너지 자원인 천연가스를 화학자원으로 활용할 수 있는 가능성을 높이게 됐다.

박은덕 아주대학교 교수(에너지시스템학과)는 5일 매우 온화한 조건에서도 메탄을 빠른 속도로 산화시킬 수 있는 철 화합물과 금속 촉매 시스템을 개발했다고 밝혔다.

해당 연구는 촉매분야의 저명 학술지인 <ChemCatChem>에 9월호 표지 논문으로 선정됐다. 논문의 제목은 <수소 존재하에서 철염과 Pd/C촉매 상에서 산소를 이용한 메탄의 수용액상 선택적 산화 (Aqueous-Phase Selective Oxidation of Methane with Oxygen over Iron Salts and Pd/C in the Presence of Hydrogen)>이다. 해당 논문의 제1저자로는 강종규 학생(아주대 에너지 시스템학과, 박사과정)이 참여했다.
  

아주대학교 박은덕 교수(좌) 강종규 학생(우) 

아주대 연구팀이 주목한 천연가스는 화학제품의 원료로 사용하게 되면 기존 석유화학제품보다 가격 경쟁력을 가질 수 있고 선진국이 핵심기술을 보유중인 있는 석유화학공정 과 견줄 수 있는 독자적인 천연가스기반 화학공정을 개발할 수 있다.

현재 천연가스의 주성분인 메탄은 석유와 달리 전 세계에 널리 분포하고 있고, 미국과 중국 등에 매장된 셰일가스를 포함하면 석탄보다 오래 사용할 수 있는 자원이지만 아직 주로 연료로만 사용되고 있다. 또 메탄은 자연계에 존재하는 탄소와 탄소간의 단일결합을 갖는 탄화수소 화합물 중에서 가장 강한 탄소와 수소결합을 갖고 있어 이를 활성화해 화학제품을 제조하는 것이 어려웠다. 

하지만 아주대 연구팀은 이번 연구에서 상온에서 메탄의 탄소와 수소결합을 활성화해 메탄올과 포름산을 제조할 수 있는 촉매 시스템을 개발했다. 이는 과산화수소와 같은 고가의 산화제를 사용하는 기존 연구와 달리 공기중에 있는 산소를 직접 활용해 연속적으로 메탄을 전환할 수 있는 기술을 새로이 선보인 것이다.  

특히, 아주대 연구팀은 자연계에 존재하는 메탄 산화 효소를 모방해 철이온을 활성금속으로 사용하고 공기중의 산소를 산화제로 사용한 촉매 시스템을 제안했다. 이는 NAD(P)H를 환원제로 사용하는 효소시스템과 달리 산업적으로 제조가 용이한 수소를 환원제로 사용해 연속적으로 메탄을 산화시킬 수 있는 촉매 시스템이다.  

또 연구팀은 제시된 촉매 시스템을 통해 메탄의 강한 탄소와 수소결합을 끊어 메탄올과 포름산 등 다양한 메탄 산화체를 세계 최고 속도로 제조하고, 상온뿐 아니라 0℃인 얼음물에서도 빠른 속도로 메탄을 화학제품으로 전환시킬 수 있음을 입증했다. 

박은덕 아주대 교수는 “해당 연구는 자연계에 존재하는 메탄 산화 효소를 모방하여 산업적으로 적용이 가능한 메탄 산화시스템을 제시함으로써 관련 연구의 활성화에 기여할 수 있다"고 말했다. 

이어 박 교수는 "천연가스 중에 가장 안정한 메탄을 활성화시킬 수 있는 기술이 개발됨으로써 기존에 연료로만 주로 사용되던 다른 가스자원을 화학제품으로 활용하는데 기여할 수 있다"며 "매우 안정한 메탄을 공기중의 산소를 이용하여 산화시킬 수 있기 때문에 앞으로 수질오염이나 토양오염을 유발하는 난분해성 물질을 경제적으로 처리하는 신환경기술분야에도 적용할 수 있다”고 설명했다.
 


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