생체 내 단백질 촉매인 효소를 모방해 원하는 화학반응만 선택적으로 유도하는 신개념의 산업용 촉매가 국내 연구진에 의해 처음 개발됐다.
카이스트(KAIST) 최민기(생명화학공학과)·김형준(화학과) 교수 공동연구팀은 실생활에 흔히 쓰이는 플라스틱, 비닐 등의 재료인 화학 원료를 만들 때 자연계 효소와 동일한 원리로 반응물을 선택적으로 전환할 수 있는 고성능 산업용 촉매 개발에 성공했다고 30일 밝혔다.
한정된 자원을 효율적으로 이용하려면 다양한 화학반응 경로 중 목표하는 반응물을 원하는 생성물로 선택적으로 전환해줄 촉매를 디자인하는 것이 매우 중요하다. 지구상에 존재하는 촉매 중 가장 효율이 좋은 촉매는 자연계 및 우리 몸 등에 존재하는 ‘효소’다.
반면 현재 석유화학 산업에서 이용되는 촉매들은 열화학적 안정성이 뛰어난 반면 금속 표면에 모든 반응물이 흡착되기 쉬워 특정 반응물만을 선택적으로 전환하기에는 한계가 있다.
공동연구팀은 이번 연구에서 단백질과 같이 부드럽고 유동성이 있으면서도 매우 높은 열화학적 안정성을 지닌 ‘폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide, PPS)’라는 엔지니어링 플라스틱 물질을 이용해 고분자 막이 금속촉매 활성점을 감싼 형태의 신개념 촉매를 세계 최초로 개발했다.
PPS는 내열성과 내화학성이 매우 뛰어나 자동차나 항공우주 산업 등에서 많이 사용되는 상용 고분자다. 연구팀은 이 새로운 촉매를 이용해 석유화학의 에틸렌 생산 공정 중 매우 중요한 아세틸렌 수소화 반응에 적용하는 데 성공했다.
석유화학 산업의 원료의 90% 이상을 차지하는 나프타는 나프타분해시설(NCC)을 통해 에틸렌 및 기타 기초유분으로 생산되고있다. 이 에틸렌에는 미량의 아세틸렌이 불순물로 함께 포함돼 있고 아세틸렌은 추후 에틸렌을 이용해 화학제품을 만드는 데 매우 치명적이므로 수소화 반응으로 제거해 주는 공정을 반드시 거쳐야 한다. 하지만 이 공정은 99% 이상 에틸렌은 건들지 않으면서도, 1% 미만의 아세틸렌만 선택적으로 전환해야 하는 난제가 존재해왔다.
연구팀은 새로 개발한 촉매를 이 공정에 적용한 결과 1% 미만의 아세틸렌이 금속 입자를 둘러싸고 있는 고분자막을 투과해 쉽게 전환되는 결과를 얻었다. 대신 99% 이상의 에틸렌은 고분자막에 가로막혀 촉매 반응이 진행되지 않아 기존 팔라듐(Pd) 촉매와 비교할 때 선택도는 2배 이상, 안정성은 10배 이상 증가했다.
최민기 교수는 “자연계의 효소를 모방해 원하는 반응물만 선택적으로 전환하면서 안정성을 갖는 촉매 설계 방법은 세계적으로 새로운 개념”이라면서 “다양한 화학반응에 폭넓게 응용될 수 있을 것”으로 전망했다.
카이스트 생명화학공학과 이송현, 신승재 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 이달 8일자 온라인판에 게재됐다.
대전=임정재 기자 jjim61@segye.com
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July 31, 2020 at 01:00AM
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카이스트, 화학적 반응 선택적으로 유도하는 신개념 촉매 개발 - 세계일보
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