국내 연구팀이 글리세롤과 온실가스인 이산화탄소를 활용해 젖산과 포름산을 높은 수율로 생산할 수 있는 촉매 공정을 개발했다. 지금까지 글리세롤과 이산화탄소로부터 유용한 화학물질을 생산하는 금속 촉매 공정 연구는 3건이 보고됐다. 이번에 연구팀이 개발한 촉매 공정은 기존 연구보다 촉매 활성이 우수하고, 젖산과 포름산 생산 수율이 높아 주목을 받고 있다.

한국화학연구원(원장 이미혜) 그린탄소연구센터는 황영규 박사 연구팀이 글리세롤에서 수소를 떼어 이산화탄소와 반응하게 해 젖산과 포름산을 생산하는 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

연구팀은 금속유기골격체(MOF)에, 루테늄(Ru) 원자 세 개가 있는 분자체(삼량체) 물질을 넣은 다음 태워서(탄화공정), 루테늄 금속이 분산된 나노 촉매(Ru/NCT)를 개발했다. 이후 이 촉매를 통한 '탈수소화 반응'과 '수소화 반응'을 이용했다. 극소량으로 글리세롤의 탈수소화 반응과 이산화탄소의 수소화 반응을 동시에 끌어냈다.

연구팀에 의하면 촉매가 얼마나 빠르게 반응물을 전환할 수 있는지(TOF, TurnOver frequency) 측정했을 때, 새로 개발된 촉매는 젖산 548, 포름산 164를 기록했다. 단위 부피 시간당 생산량(STY, Space-Time yield)은 젖산 422g/L·day, 포름산 64g/L·day를 달성했다. 이는 이론적으로 기존 촉매보다 10~20배 정도 촉매 활성이 좋고, 생산량 또한 2배 정도 높은 수치다.

연구팀은 기존 이산화탄소 환원 반응과 이동 수소화 반응을 통합·발전시킨 액상 수소 활용 동시 전환 반응을 이용했다. 기상 수소를 사용한 이산화탄소의 전환반응에서 문제점인 높은 반응 활성화 에너지를 획기적으로 낮추었다. 이것으로 연구계에서 제한적이었던 촉매반응 조건을 확장할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구의 성과는 물질화학 (Chemistry of Materials) 12월호에 표지논문으로 발표됐다. 또 관련 연구 기간 동안 특허 6건 출원·등록했다.

연구팀은 앞으로 계산화학을 통한 촉매 후보군 탐색 등으로 포름산 및 젖산 생산수율을 추가로 높여 국가 온실가스 감축에 기여할 실용화 기술 개발에 나선다. 이를 통해 촉매 기술을 최적화하고 기업체에 기술이전 한다는 계획이다. 글리세롤 이외의 저활용 유기성폐기물 이산화탄소 동시 전환 촉매기술 개발을 통한 제품 포트폴리오를 완성하여 상용화에 나선다는 설명이다.

관계자는 "글리세롤과 이산화탄소를 동시 전환하여 젖산과 포름산을 대량 생산할 수 있는 기술이 확보된다면 국내외로 큰 시장을 형성할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다. 제조된 젖산 및 포름산 유도체는 생분해성 플라스틱, 방부제, 항세균제 등으로 사용된다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 '차세대 탄소자원화 연구단'(단장 전기원 박사)의 지원을 받아 수행됐다.