버려지는 이산화탄소·글리세롤로 젖산·포름산 동시 생산 기술 개발

국내 연구팀이 버려지는 온실가스 이산화탄소와 바이오디젤의 부산물인 글리레롤로부터 유용한 화학원료가 되는 젖산과 포름산을 동시에 생산할 수 있는 촉매 공정 기술을 개발했다. 

한국화학연구원 황영규 박사팀은 글리세롤과 온실가스인 이산화탄소를 활용해 젖산과 포름산을 높은 수율로 생산 가능한 촉매 공정을 개발했다고 지난달 30일 밝혔다. 

글리세롤은 바이오디젤이 생산될 때 약 10% 정도 나오는 부산물로 가격이 매우 저렴한데 글리세롤에 있는 수소를 떼어내 반응시키면 생분해성 플라스틱의 원료인 젖산을 만들 수 있어 최근 관련 연구가 전세계적으로 증가 추세이다. 2020년 기준 세계적 시장 규모는 젖산이 170만톤, 포름산은 200만톤이며, 매년 각 15%, 5%씩 시장이 성장 추세다.  

또한 친환경 정책으로 인한 식물유해 연료 바이오디젤 생산도 전세계적으로 증가하고 있다. 젖산은 썩는 플라스틱의 원료로 활용될 수 있고, 포름산은 연료전지의 수소저장물질, 가죽과 사료첨가제로 사용되거나 추가 촉매 공정을 통해 화학제품으로 만들어질 수 있다. 

원리, 촉매를 이용한 ‘탈수소화 반응’과 ‘수소화 반응’

글리세롤과 이산화탄소로부터 젖산과 포름산을 동시에 생산하는 원리는 촉매를 이용한 '탈수소화 반응'와 '수소화 반응'이라고 한다. 

탈수소화 반응은 수소가 들어있는 유기화합물에서 수소원자를 떼어내는 반응이며, 이 떼어낸 수소원자를 다른 화합물에 첨가시키는 것을 수소화 반응이라고 한다. 연구팀이 개발한 촉매는 글리세롤에서 수소를 떼어내 이동시킨 후 이산화탄소와 반응하게 해 젖산과 포름산을 생산하게 된다. 

수소화 반응은 촉매 분야에서 많이 이용되고 있지만 수소가스는 운반이 위험하고 사용이 어려워 수소가스를 활용한 수소화 반응 연구 대신 수소가 액체에 포함되어 있는 액상 수소원을 활용한 연구가 각광받고 있다. 화학연은 이와 관련한 연구를 지난 5년간 진행한 끝에 극소량만 넣어도 글리세롤의 탈수소화 반응과 이산화탄소의 수소화 반응을 동시에 이루어지는 새로운 촉매를 개발했다고 설명했다.  

그동안 글리세롤과 이산화탄소로부터 유용한 화학물질을 생산하는 금속촉매 공정 연구는 3건이 보고된 바 있는데, 황 박사 연구팀이 개발한 촉매 공정은 기존 연구보다 촉매 활성이 좋고, 젖산과 포름산 생산 수율이 높다고도 했다. 

기존 촉매보다 10~20배 정도 촉매 활성이 좋고, 생산량은 2배 정도 높다고 한다. 연구팀은 금속유기골격체(MOF)에 루테늄(Ru) 원자 세 개가 있는 분자체 물질을 넣은 다음 태워서 루테늄 금속이 분산된 나노 촉매(Ru/NCT)를 만들었다. MOF는 금속 이온이나 금속 클러스터가 유기물로 연결된 구멍이 많은 다공성 물질로 기체 흡착 및 분리, 촉매, 센서 등 많은 분야에서 각광받고 있다. 

연구팀은 전자현미경, X-선 흡수 분광법 등을 활용해 루테늄 금속의 입자 크기와 결정성, 탄소의 표면과 기공 특성을 파악해 결정성과 입자 크기가 큰 루테늄 촉매가 젖산과 포름산의 동시 생산에 더 크게 반응함을 밝혔다.

향후 연구진은 계산화학을 통한 촉매 후보군 탐색 등으로 포름산 및 젖산 생산수율을 추가적으로 높여 국가 온실가스 감축에 기여할 실용화 기술을 계속 개발한다는 계획이다. 한국화학연구원 화학공정연구본부 황영규 본부장과 성균관대 권영욱 교수 공동 연구팀은 위 연구결과를 세계적인 물질 분야 권위지인 ‘물질화학(Chemistry of Materials)’ 12월호에 표지논문으로 발표했다.

논문명은 '글리세롤과 이산화탄소의 동시전환을 위한 루테늄 삼량체 클러스터 담지 금속유기골격체의 합성 및 이의 카본 물질 개발'(In Situ Synthesis of Trimeric Ruthenium Cluster-Encapsulated ZIF-11 and Its Carbon Derivatives for Simultaneous Conversion of Glycerol and CO2)이다. 

포인트경제 김민철 기자