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플라스틱,섬유,자동차 부품,전자제품 등 다양한 제품의 생산에 꼭 들어가는 프로필렌(propylene)은 석유화학 산업의 핵심 원료다.국내 연구진이 이 프로필렌을 저렴하고 효율적으로 생산할 수 있는 신개념 촉매를 개발했다.기존보다 100배 이상 효율이 높은 백금 기반 촉매다.
KAIST는 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 값싼 금속 갈륨(Ga)과 알루미나(Al2O3)를 기반으로,백금은 극소량(100ppm,0.01%)만 사용한 촉매를 개발했다고 12일 밝혔다.이 촉매는 기존 고농도 백금(10000ppm)을 사용한 상용 촉매보다 더 뛰어난 성능을 보였다.
프로필렌은 프로판(propane)에서 수소를 떼어내는‘프로판 탈수소화(PDH,토토잘하는방법 top1propane dehydrogenation)’공정을 통해 생산할 수 있다.이 공정에는 백금 촉매가 널리 사용되어 왔다.백금은 탄소와 수소 사이의 결합을 끊고 수소를 제거하는 데 매우 효과적이다.그러나 백금은 가격이 높고 반복 사용 시 성능이 저하되는 단점이 있었다.
연구팀은 갈륨과 알루미나를 기반으로 백금을 꼭 필요한 만큼만 넣은 촉매를 설계해 이러한 문제를 해결했다.
새로운 촉매의 핵심 원리를 살펴보면 갈륨은 프로판의 탄소-수소 결합을 활성화해 수소를 떼어내고 프로필렌을 생성하며,백금은 표면에 남은 수소 원자들을 결합시켜 수소 기체(H2)로 전환,촉매 표면에서 제거한다.두 금속이 역할을 분담함으로써 백금 사용량을 줄이면서도 성능을 유지할 수 있게 했다.
특히 백금과 갈륨의 비율이 적절할 때 최적의 성능을 나타냈으며,연구팀은 이 이상적인 조성 비율을 과학적으로 설명하고,예측할 수 있는 정량적 지표도 제시했다.
또한 기존 백금 촉매의 주요 약점이었던 반복 사용할수록 백금 입자가 뭉쳐 성능이 급격히 떨어지는‘소결(sintering)’현상 문제도 해결했다.
최민기 교수는 “이번 연구는 백금 사용량을 기존 대비 1/100 수준으로 줄이면서도 성능을 유지하거나 오히려 향상시킬 수 있다는 가능성을 제시했다”며 “촉매 비용 절감,교체 주기 감소,폐촉매 감소 등 경제적·환경적 효과를 동시에 기대할 수 있다”고 설명했다.이어 “향후 대규모 공정 실증과 상업화 가능성도 검토할 예정이며,산업 현장에 적용될 경우 프로필렌 생산의 경제성과 효율성이 크게 향상될 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구결과는 화학공학 분야 국제학술지‘미국화학회지(JACS)’에 2월 13일 게재됐다.
구본혁 기자
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