국내 연구진이 미국과 중국이 주도하는 석유화학시장의 판도를 바꿀 ‘비산화 메탄 직접 전환기술’을 개발했다. 한국화학연구원은 탄소자원화연구소 김용태·김석기 박사팀이 이산화탄소보다 강력한 온실가스인 메탄을 석유화학의 '쌀'인 에틸렌을 비롯해 화학원료와 수소 등으로 99% 전환하는 ‘비산화 메탄 직접 전환기술’을 개발했다고 24일 밝혔다.

이 기술은 전 세계에서 미국과 중국만 보유하고 있다. 비산화 메탄 직접 전환기술은 산소와 같은 산화제 없이 메탄으로부터 화학 원료를 직접 얻는 기술로 산화 메탄 직접 전환기술에 비해 경제성과 안전성이 높다. 하지만 기술 난도가 높아 아직까지 상용화되지 못했다.

중국 대련화학물리연구소가 2014년 사이언스지에 관련 논문을 발표한 후 사우디아라비아 석유화학사인 SABIC과 공동으로 사업화를 진행하고 있다.

연구팀은 1000℃ 이상의 고온에서 산화제 없이 메틸 라디칼을 제어하면서도 에틸렌과 벤젠 등의 화학 원료로 99% 전환하는 비산화 메탄 직접 전환기술을 개발했다.

기술의 핵심은 ‘단원자 철’ 촉매이다. 기존 촉매가 여러 원자들이 뭉쳐있는 탓에 연쇄적으로 반응이 일어나는 데 반해 이 촉매는 여러 개의 단원자가 촉매 표면에 흩어져있어 각각의 단원자에서 한 번씩만 화학 반응이 일어난다.

그 결과 기존 촉매에서 연쇄 반응으로 인해 생성되는 이산화탄소와 코크 등의 부산물이 생기지 않고, 연쇄 반응에 들어가는 불필요한 에너지도 줄어 에너지 효율이 높아졌다.

이를 통해 메탄으로부터 선택적으로 C₂화합물(에틸렌, 에탄, 아세틸렌) 86%, 방향족 화합물(벤젠, 자일렌, 톨루엔, 나프탈렌 등) 13%를 전환했고, 부산물로 수소도 얻었다. 나머지 1% 이하는 코크 생성량이다.

메탄의 화학원료 전환율이 99%에 달하는 것이다.

김석기 박사는 “이번 연구는 촉매 표면의 성질에 따라 부산물이 억제되는 메커니즘을 밝혔다는데 학술적인 의미가 있다”며 “향후 수율을 더욱 향상시키는 촉매기술을 개발하는 데 많은 도움이 될 것”이라고 말했다.

화학연 한승주 박사(1저자)는 “한국이 향후 전 세계 메탄 직접 전환 기술을 이끌 수 있을 것”이라며 “국내 석유화학 시장의 새로운 먹거리가 될 수 있을 뿐만 아니라 수소 생산에도 기여할 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 C1리파이너리사업, 한국화학연구원 주요사업의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 촉매 분야 최고 권위지인 ‘ACS(American Chemical Society) Catalysis’ 9월호 표지 논문으로 게재됐다.

씨스켐닷컴(2019-09-24)