▲ 가돌리눔(Gd)이 담지된 제올라이트 촉매 표면에서의 메탄올 전환반응.

한국화학연구원(원장 이규호)이 석유·정유 산업에서 화학원료나 디젤, 가솔린을 생산하는 데 주로 사용되는 제올라이트 촉매의 수명을 획기적으로 늘리고 저렴한 가격에 만들 수 있는 원천기술을 개발했다.

화학연구원 탄소자원화연구소 C1가스전환연구그룹 곽근재 박사팀은 촉매 비활성화되는 주요 원인인 탄소 생성을 원천적으로 차단해 촉매의 수명을 효과적으로 증대시킬 수 있는 기술을 개발했고, 이 연구결과가 촉매화학 분야의 세계적 학술지 ‘켐켓켐(ChemCatChem)*’ 5월 10일 표지논문에 게재됐다고 22일 밝혔다.

화학공정에서는 대부분 반응의 속도를 높여주기 위해 촉매를 사용하는데, 오랜기간 사용하면 탄소가 생성되어 촉매의 활성점이나 기공을 막아 촉매의 기능을 떨어뜨리기 때문에 이를 방지하는 기술개발이 요구돼 왔다.

화학연구원 김성탁 박사와 곽근재 박사는 기초화학물질(메탄올, 탄화수소 등)로부터 플라스틱 원료인 방향족 화합물을 생산하는 데 쓰이는 제올라이트촉매에 희토류 중 하나인 가돌리늄(Gd)를 코팅하는 방법으로 탄소 생성을 억제했다.

이에 촉매의 수명이 기존 상용 촉매에 비해 일정 반응시간 이후 3배 이상 활성이 더 높게 유지되는 것으로 나타났다. 기존 제올라이트 촉매는 24시간 내로 초기촉매활성의 30% 이하로 떨어지는 단점이 있으나 새로 개발된 촉매는 24시간 후에도 초기촉매활성의 80% 이상 유지시킬 수 있다.

논문의 1저자인 김성탁 박사는 “희토류 금속인 가돌리늄을 제올라이트 표면에 코팅하게 되면 나노두께의 필름을 형성하고, 이 필름이 표면의 물리화학적 특성을 변화시켜 촉매 표면에 탄소생성을 저해하고 촉매의 수명이 연장되는 효과를 보인다”고 말했다.

또한 이 기술은 현재 석유·정유산업에서 활용되고 있는 대부분의 제올라이트 계열 촉매에 적용할 수 있다. 특히 가돌리늄이 희토류 금속이지만 kg당 55달러로 가격이 저렴하고 제조 시 미량만 첨가되어도 촉매기능을 하기 때문에 산업 적용이 가능하다. 이에 대부분 촉매를 수입에 의존하고 있는 국내 석유·정유업계의 경쟁력 향상에 기여할 전망이다.

또한 정부 주도로 연구개발 수행 중인 미활용탄소자원 활용기술, C1(메탄, 일산화탄소)가스 전환기술 내 요소기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.