▲ 이현주 교수(KAIST)와 이종협 교수(서울대) 공동연구팀은 로듐이 단일 원자 형태로 지르코늄 산화물 담지체에 분산된 단일 원자 촉매를 개발했다..

국내 연구진이 저온에서 단일 공정으로 메탄을 직접 전환하는 촉매를 개발했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 이현주 KAIST 교수와 이종협 서울대 교수 공동연구팀이 메탄 적접 전환공정으로 메탄올과 에탄 등의 화학원료를 생산하는 안정한 로듐 단일 원자 촉매를 개발했다고 밝혔다

메탄은 셰일가스 등에 풍부하게 존재하는 화석 연료이다. 하지만 일부 지역에만 존재하고 수송 비용이 높아 대부분 유전에서 버려지고 있다.

이에 메탄을 유용한 화학원료로 전환하는 기술이 요구되고 있는데 기존에는 메탄을 합성가스(H+CO)라는 중간 화합물 형태를 거쳐 메탄올 등의 화학 물질로 전환했다. 이때 섭씨 800℃ 이상의 고온과 다단계 공정을 거쳐야 했다.

하지만 연구진은 기존의 메탄 전환 반응과 달리 메탄을 합성가스 같은 다른 중간 화합물로 전환하지 않고 직접 원하는 물질로 전환하는 직접 전환공정을 도울 로듐이 단일 원자 형태로 담지체에 분산된 ‘단일원자촉매’를 개발했다.

단일원자 촉매는 담지체 위에 분산되어 모든 원자가 반응에 참여할수 있어 귀금속 질량당 활성을 극대화 할 수 있다. 기존 나노 입자 촉매는 메탄 중간체(CH₃)가 불안정해 이산화탄소(CO₂)로 전환이 되기 쉬웠다. 그러나 단일 원자 구조에서는 메탄이 선택적으로 활성화되어 메탄 중간체가 안정적으로 존재했다.

연구팀이 개발한 촉매를 이용하여 액체 상태에서 메탄을 전환할 경우 단일 공정, 100℃ 이하의 저온 공정으로 메탄올을 생산했다. 또한 기체 상태에서 메탄을 전환할 경우 300℃ 이하의 저온 공정으로 고부가 에탄을 생산할 수 있어 에너지 효율성이 높다.

이현주 교수·이종협 교수는 “이 연구는 촉매와 메탄과의 상호작용을 원자 단위에서 깊게 이해하여 메탄을 직접 전환하는 새로운 촉매를 개발한 것으로, 메탄 직접 전환과 단일 원자 촉매의 원천 기술 확보로 메탄을 다양한 화학원료로 전환하는 기술의 토대가 될 것으로 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 해당 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 C1 가스 리파이너리 사업의 지원으로 수행됐으며 화학 분야 국제학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 11월10일자 논문으로 게재됐다.