인하대학교(총장 조명우)는 조창범 화학과 교수 연구팀이 고온에서도 안정성이 뛰어나고 저급 파라핀과 이산화탄소를 동시에 활성화 시켜 에틸렌 등 경질 올레핀을 생산할 수 있는 귀금속 기반의 새로운 담지 금속 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다.

경질 올레핀은 기초유분으로 플라스틱, PT병, 섬유 등 우리 일상생활과 밀접한 제품에 다양하게 사용된다. 또 타이어 등 석유화학산업 분야에서 가장 많이 쓰는 기초소재다. 

연구팀 성과는 파라핀과 이산화탄소를 이용해 경질 올레핀을 만들 수 있는 방법을 소개한 것이다. 촉매가 경질 파라핀의 C-H결합을 우선 분해하고 이산화탄소가 활성화 시간을 늘리면서 기존 촉매보다 경질 올레핀 생산량을 늘렸다. 기존 촉매에 비해 수율이 10배 이상 향상됐다는게 연구팀의 설명이다. 

귀금속은 활성이 좋아 촉매 재료로 많이 상용된다. 하지만 활성도가 높아 기존 귀금속 기반 촉매는 2시간 이내에 빠르게 비활성화되는 문제가 있었다. 또 동종 촉매로 사용 후 분리가 어려운 단점이 있었다. 연구팀은 크롬산화물 또는 귀금속 기반의 담지 촉매와 이산화탄소를 이용해 기존 촉매의 문제를 해결했다. 연구팀에 의하면 고온 내열성과 안정성이 우수해 장시간 사용에도 에틸렌 수율 감소가 없는 것으로 확인됐다.

미국 UOP사의 보고서에 의하면 에틸렌과 프로필렌의 수요가 지속 증가할 것으로 예상된다.  보고서는 매년 5%씩 수요가 증가 할 것으로 예측했다. 연구팀은 "기초유분의 가격변동이 커지면서 시장 수요에 맞는 공급을 위해 에틸렌과 프로필렌 제조 촉매 개발과 공정 프로세스가 필요한 시점"이라고 설명했다.

이어 연구팀은 "이산화탄소를 활용한 경질 올레핀 촉매 기술은 아직 상용화 된 적이 없다. 이번 성과로 이산화탄소는 줄이고 경질 올레핀 생산을 늘릴 수 있을 것으로 예측된다"고 강조했다.

이번 연구에 참여한 이해솔 제1저자 석사생은 "경질 올레핀 수요가 증가하고 있다. 또 기후변화 대응 기술이 필요한 시점에 새로운 방식의 촉매 기술과 이산화탄소를 사용해 에틸렌을 생산한 독창적인 기술"이라면서 "다른 분야로 스핀-오프도 예상할 수 있어 원천 기술 확보가 중요하다"고 말했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 제올라이트의 분자체 크기를 선택적으로 제어해 에틸렌 생산을 늘릴 수 있는 기술도 개발했다. 이해솔 석사생은 "제올라이트의 미세기공을 Sub-Å단위로 조율해 분자체 특성을 세밀하게 제어하면서 기존 제올라이트보다 에틸렌 선택성 확보를 100배 이 상 늘렸다"고 소개했다.

조창범 교수는 "상용화 시기는 2030년 전후로 예상된다. 상용화 후에는 반응 공정 온도를 낮춰 비용을 낮추면서 온실가스 저감 효과도 있을 것"이라면서 "관련 기술들의 국내외 특허 출원도 마쳤다"고 말했다.

한편 이번 연구는 차세대탄소자원화연구단의 지원을 받아 수행됐다.  논문은 미국 화학학술지 ACS catalysis지에서 리비전 중이다. 제1저자에는 인하대 화학 및 화학공학융합학과 누만 무함메드(numan muhammad) 박사생과 이해솔 석사생이 참여했다.