[탄소중립! 세상이 숨쉬다 ⑪ ]성균관대 김재훈 교수 연구팀
기술 상용화 완료 시 1800만톤 이산화탄소 감축효과
선택적 생산 위한 복합 촉매 설계, 촉매공정 개발
성균관대학교 김재훈 교수 연구팀은 이산화탄소를 이용해 고부가 방향족 화합물의 생산을 위한 촉매 설계와 촉매 공정을 개발했다고 1일 밝혔다.
고부가 방향족 화합물은 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene) 등을 말한다. 이들은 전체 석유화학 제품 생산량 중 1위에 해당하는 매우 중요한 플랫폼 화학소재이다.
연구팀은 CO2로부터 역수성가스반응(Reverse Water-Gas shift Reaction; RWGS)으로 CO를 합성하는 촉매를 개발했다. 신규 Fe계 피셔트롭쉬 (Fischer-Tropsch, FT) 반응 활성점을 설계해 철계 금속산화물/HZSM5 혼합 촉매를 제조했다.
이렇게 만들어진 철계 촉매와 제올라이트를 복합한 복합촉매를 활용했다. 이를 통해 45%의 높은 전환율 및 39%의 높은 방향족 선택도로 이산화탄소로부터 방향족 화합물 생산이 가능한 것을 확인했다. 특히 제올라이트의 산점 조절로 방향족 화합물 중 BTX의 선택도가 59%로 높았다.
실험을 통해 CO₂ 전환반응 도중 infrared spectroscopy로 반응중간체를 분석할 수 있는 장비인 in situ operando DRIFT를 이용하여 반응 메커니즘을 파악했다. Na-FeAlOx/Zn-doped HZSM-5@SiO2촉매에서 CO₂ 전환 메커니즘을 위한 Na-FeAlOx, Zn-doping, SiO2 코팅 영향도 분석했다. Zn-doping을 통한 방향족 수율 향상, SiO2 코팅을 통한 BTEX 수율 향상 연구도 진행되었다.
이번 연구를 통해 연구팀은 철계 촉매에서 방향족 화합물의 전구체인 알파 올레핀의 합성 메커니즘의 원리를 규명했다. 또 제올라이트 기공의 산점 분포 조절, 외부 산점 억제, 철계 촉매와 제올라이트 복합화 방법 등을 개발했다. 성과는 국제 저명 학술지인 ACS Catalysis에 지난해 게재됐다. 국내 특허와 해외 특허도 출원 중이다.
연구팀에 의하면 전 세계 방향족 화합물 제조 시장은 매년 6% 이상의 성장률로 2022년까지 2659억 달러에 이를 것으로 전망된다. 기술 상용화에 성공해 국내 BTX 생산량의 절반을 CO₂ 직접 수소화로 제조된 BTX로 대체 시 1800만톤의 이산화탄소 감축 효과를 얻을것으로 기대된다.
관계자는 "BTX는 다양한 플라스틱과 건축자재, 가전제품 내외장재, 섬유까지 활용도가 매우 높다"며 "현재 BTX는 정유 및 석유화학 공정에서 제조되고 있으나 CO₂의 직접 전환으로 친환경 BTX가 주목받을 것으로 예상된다"고 말했다.
연구팀은 앞으로 금속산화물/HZSM-5 컴파짓 물성 제어를 통한 촉매 활성을 최적화할 예정이다. 방향족 전구체 제조를 위한 장쇄 올레핀 합성 촉매 및 공정 개발, 방향족 화합물 선택도 향상을 위한 HZSM-5 물리화학적 성질 제어 및 벤치 규모 전환 공정도 함께 진행된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 ‘차세대 탄소자원화 연구단’(단장 전기원 박사)의 지원을 받아 수행됐다.
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