[탄소중립! 세상이 숨쉬다 ⑭] 경희대 강은주 교수 연구팀
단일 단계 반응으로 합성되는 철 착물 촉매 고안
탁월한 반응성과 합성의 용이성 강점

대한민국은 석유화학, 철강 등 에너지 다소비 산업이 주력산업이다. 에너지 절약과 신재생 에너지 활용으로는 온실가스 감축에 한계가 있다. 온실가스를 자원으로 재활용하는 탄소자원화 발전전략이 필요하다.

경희대학교 강은주 교수 연구팀은 이산화탄소와 에폭사이드로부터 '고리형 카보네이트'를 합성하는 데 성공했다고 23일 밝혔다. 고리형 카보네이트는 고부가가치 플라스틱인 지방족 폴리카보네이트의 원료로 이용되는 물질이다.

다기능 리간드-철 착물 시스템 연구결과는 국제학술지 ChemSusChem에 2019년 게재되었다. 또한 연구 기간 동안 SCI급 논문 4편, 특허 등록 3건의 결과를 도출했다.
다기능 리간드-철 착물 시스템 연구결과는 국제학술지 ChemSusChem에 2019년 게재되었다. 또한 연구 기간 동안 SCI급 논문 4편, 특허 등록 3건의 결과를 도출했다.
연구팀에 의하면 고온에서 진행되는 고리형 카보네이트 합성 반응은 이산화탄소 저감 효과를 상쇄한다. 따라서 저온·저압에서 진행되는 시스템 개발이 필요하다. 연구팀은 지속 가능성과 친환경성을 고려한 철 중심 금속 시스템을 고안했다. 이를 통해 저온·저압 환경에서 이산화탄소와 에폭사이드로 고리형 카보네이트 합성하는데 성공했다.

기술의 특징은 반응물을 활성화하기 위해 다기능 리간드를 도입한 것이다. 에폭사이드 활성을 위한 수소결합 주개 작용기와 이산화탄소 활성을 위한 전자쌍 주개 작용기를 포함한 철 촉매 착물을 고안했다. 이를 단일 단계 반응으로 합성할 수 있는 방법도 확립했다.

현재 연구팀은 0.02 mol%의 촉매량을 이용하여 10 기압 이산화탄소와 60도 조건에서 고리형 카보네이트 전환 반응에 대한 TON 4600 성과를 달성했다. 철 촉매 시스템을 활용한 고리형 카보네이트 제조 반응은 전환 수율 99%로 불순물이 없는 반응이다. 

연구팀 관계자는 "이번에 개발한 다기능-철 촉매는 탁월한 반응성을 가지고 있으며, 촉매 합성의 용이성과 경제성 등 유용한 가치를 지닌 것으로 평가한다"고 말했다.

이번 연구는 저온 및 저압 조건에서 반응이 진행되므로 열적 안정도가 낮은 바이오 유래 화합물을 포함한 카보네이트 제조에도 효율적으로 적용될 수 있다. 연구팀은 바이오 알콜 글리세롤 기반 유도체와 식물 자원에서 유래한 퓨란 유도체를 이용하여, 자원화된 이산화탄소를 내포한 고리형 카보네이트 제조에 성공했다. 이 폴리머 플랫폼 화합물의 그린 탄소 함량이 50 wt%에 달하여, 온실가스의 대량 저감 목표에 부합하는 기능성 물질이라 할 수 있다.  

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

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