한국화학연구원은 화학산업의 필수 공정인 수소화 반응을 상온에서 가능하게 하는 촉매 기술을 개발했다.

수소화 반응은 액상 수소와 반응물을 촉매에 함께 넣으면 수소가 촉매를 거쳐 반응물에 전달돼 새로운 생성물을 얻을 수 있는 화학 반응이다.

플라스틱·연료·섬유·고무 등을 생산하는 석유화학공정과 의약품·화장품 등을 생산하는 정밀화학공정의 중간체, 바이오화학공정의 바이오매스 등을 합성하는 데 쓰인다.

▲ 금속유기골격체 촉매를 이용해 푸르푸랄을 푸르푸릴 알코올로 전환하는 그림

일반적으로 수소화 반응은 섭씨 100도 이상 고온에서 이뤄지는데, 온도를 높이기 위해 에너지가 많이 들고 온실가스가 배출되는 문제가 있다.

상온에서도 수소화 반응이 가능하지만, 팔라듐이나 플래티넘 등 값비싼 귀금속 촉매를 써야 해 경제성이 떨어진다.

연구팀은 저렴한 지르코늄 금속과 유기물질을 결합해 만든 '금속유기골격체'(MOF) 촉매에 알코올을 넣고 가열하는 방법으로 이 같은 문제점을 해결했다.

MOF 촉매에 알코올을 넣고 끓이면 MOF 표면에 활성점(반응하는 자리)이 많이 생기면서 활성화된다.

이에 따라 활성화에 필요한 에너지를 낮춰 섭씨 30도 상온에서도 쉽게 수소화 반응이 일어나게 된다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 MOF 촉매를 이용해 상온에서 목질계 바이오매스에서 유도된 '푸르푸랄'을 화학 원료인 '푸르푸릴 알코올'로 전환하는 데 성공했다.

석유화학공정에서 발생하는 40도 이하의 폐열을 수소화 반응에 재활용할 수 있어 온실가스 감소에도 기여할 것으로 기대된다.

연구팀은 또 수소화 반응에서 기존에는 수소가 반응물의 여섯 자리를 거쳐 전달되는 것으로 알려져 있었지만, 실제로는 반응물의 여덟 자리를 거쳐 전달된다는 것을 확인했다.

황영규 화학연 화학공정연구본부장은 "지난 10년 동안 연구자들은 6각링 전이상태를 바탕으로 촉매를 만들어왔지만, 실제로는 8각링 전이상태였다는 것이 확인된 만큼 새로운 촉매 반응 경로에 대한 연구가 활발해질 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '미국 화학회 촉매'(ACS Catalysis) 이달 호에 실렸다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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