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값싼 메탄 고부가가치 에틸렌으로 바꿔주는 촉매, 노트북으로 찾아냈다

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값싼 메탄 고부가가치 에틸렌으로 바꿔주는 촉매, 노트북으로 찾아냈다

2019.07.29 15:08
함형철 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 책임연구원(왼쪽)과 하정명 청정에너지연구센터 책임연구원(오른쪽), 임서연 박사과정생 공동연구팀은 컴퓨터 계산을 통해 저렴한 메탄가스에서 고부가가치의 에틸렌을 얻을 수 있는 새로운 촉매를 찾아냈다. 한국과학기술연구원 제공
함형철 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 책임연구원(왼쪽)과 하정명 청정에너지연구센터 책임연구원(오른쪽), 임서연 박사과정생 공동연구팀은 컴퓨터 계산을 통해 저렴한 메탄가스에서 고부가가치의 에틸렌을 얻을 수 있는 새로운 촉매를 찾아냈다. 한국과학기술연구원 제공

국내 연구팀이 비커가 아닌 노트북으로 수십 종의 촉매 후보물질을 뽑아내고, 최적화된 촉매를 발굴하는 데 성공했다.

 

한국과학기술연구원(KIST) 하정명 청정에너지연구센터 책임연구원과 함형철 수소·연료전지연구단 책임연구원 공동 연구팀은 컴퓨터 계산을 통해 저렴한 메탄가스에서 고부가 가치의 에틸렌을 얻는 새로운  촉매를 찾아냈다고 29일 밝혔다. 

 

에틸렌은 다양한 화학제품의 원료로 쓰이며 ‘화학산업의 쌀’로 불리지만 원유 증류과정에서 얻을 수 있는 비싼 원료다. 반면 메탄은 석유화학공정이나 매립쓰레기에서 저렴하고 손쉽게 얻을 수 있다. 이 때문에 메탄을 공기 중 산소와 반응시켜 에틸렌으로 전환하는 메틴 산화이량화 반응을 활용해 에틸렌을 생산하려는 노력이 이어지고 있다. 정확한 반응 메커니즘이 알려지지 않아 적합한 촉매를 찾기 어려웠다.

 

연구팀은 실험을 통해 일일이 촉매 후보물질을 찾는 대신 컴퓨터를 이용해 후보물질을 설계하고 물질 표면에서의 메탄 변화를 예측했다. 실험실에서 하나의 촉매를 합성하는데 걸리는 시간과 화학반응의 특성을 분석하는데 걸리는 시간은 한 달 가까이 걸린다. 대신 연구팀은 물질의 전자 구조를 양자역학적으로 계산하는 ‘양자역학 기반 범밀도함수’ 계산법으로 촉매를 설계했다. 원자구조를 모델링하는 시뮬레이션을 통해 여러 물질을 빠른 시간에 탐색함으로써 실험에 걸리는 시간을 단축했다.

 

연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 메탄을 에틸렌으로 변환하는 새로운 촉매를 찾아냈다. 한국연구재단 제공
연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 메탄을 에틸렌으로 변환하는 새로운 촉매를 찾아냈다. 한국연구재단 제공

연구팀은 이렇게 추린 촉매 후보물질 65종 중 네오디뮴(Nd)이 첨가된 스트론튬타이타네이트(SrTiO₃) 촉매가 메탄 산화에서 가장 높은 활성을 보임을 확인했다. 기존 스트론튬타이타네이트 촉매의 선택도는 48.9%였는데 네오디뮴을 섞었더니 선택도가 55%로 높아진 것을 확인했다.

 

하 책임연구원은 “실험만으로 달성하기 어려운 메탄 전환 촉매 설계법을 개발한 것”이라며 “저가 천연가스로부터 고부가가치 화학제품을 생산하는 상용기술을 개발할 것”이라고 말했다. 임서연 KIST 청정에너지연구센터 박사과정생이 제1저자로 참여한 연구결과는 이달 10일 국제학술지 ‘저널 오브 카탈리시스’에 실렸다.

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