한국화학연구원, 버려지는 글리세롤로부터 수소 및 화학제품 동시 생산이 가능한 전기화학적 산화반응용 고성능 촉매 설계 기술 개발

[인더스트리뉴스 최홍식 기자] 한국화학연구원 김형주 박사팀은 전북대, 한국에너지연구원, 포항공대 연구팀과의 공동연구로 국내에서 버려지고 있는 글리세롤로부터 수소연료 및 유용한 화학원료 유기산을 동시에 생산할 수 있는 촉매 기술을 개발했다.

글리세롤은 자동차의 혼합 연료중 하나인 바이오디젤을 만드는 과정에서 나오는 부산물인데, 국내에 이를 활용할 수 있는 우수 기술이 없어 대부분 버려지고 있다. 유기산은 산성을 가진 유기 화합물을 통틀어 이르는 말로써 일반적으로 약산이 많으며 식품의 가공 및 첨가, 정밀기계 금속 부분의 세정, 화장품, 세제, 의약품 등 다양한 부분에 이용되고 있다.

3차원 구조의 그래핀 표면 특성을 가지는 탄소지지체를 사용해 백금 나노 입자를 합성하는 과정 및 이를 이용한 전기화학적 글리세롤 산화반응 테스트 장치 모식도 [자료=화학연구원]

전 세계적으로 바이오디젤 연료와 그 부산물인 글리세롤 생산량이 증가함에 따라, 이를 활용할 수 있는 전환 기술 개발이 요구되고 있다. 기존 글리세롤의 전환 기술은 대부분 촉매화학 기술, 열분해 기술, 생화학 기술이다. 최근에는 전기화학적 글리세롤 산화반응 기술이 국내외에서 연구되고 있는데, 이는 전기를 주입해 화학적 산화 환원 반응을 이용해 하나의 반응기에서 수소 및 유기산을 동시에 생산하는 기술이다. 글리세롤 산화 반응에는 주로 백금과 같은 귀금속 촉매가 쓰이는데 백금은 가격이 비싸고 매장량이 적어서 백금 촉매를 더욱 우수한 성능으로 만드는 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다.

연구팀은 전기화학적 글리세롤 산화 반응에 기존 사용되던 상업용 백금 촉매보다 우수한 성능을 가진 새로운 백금 촉매 설계 기술을 개발했다. 기존 상업용 백금 촉매는 표면적을 넓히기 위해 백금이 탄소지지체 위에 고르게 분산되어 있는 형태로 이루어져 있었다. 연구팀은 이 형태에서 기존 탄소 지지체보다 표면적이 10배나 높은 탄소지지체를 개발하고, 이 지지체에 백금을 더 작고 고르게 분산시킬 수 있는 화학 기술을 개발했다.

공동 연구팀은 3차원 구조의 탄소 지지체 개발을 위해 입체 골격을 가진 제올라이트 물질을 활용했다. 제올라이트 틀에 탄소 물질을 성장시킨 다음 골격인 제올라이트를 다시 빼내서 탄소가 제올라이트 3차원 골격대로 입체 구조를 형성하는 원리다. 또한 기존 지지체의 표면이 그래파이트 특성이었던 것과 달리 3차원 구조의 탄소 지지체 표면은 그래핀 특성을 보일 수 있도록 했다. 그래파이트는 탄소의 동소체 중 하나이며, 탄소 여섯 개로 이뤄진 고리가 연결되어 층을 이룬 모양으로 구성되어 있다. 그래핀 역시 탄소의 동소체 중 하나지만 그래파이트와 달리 탄소 원자들이 모여 2차원 평면 구조를 이루고 있다. 

3차원 구조의 탄소지지체는 더욱 입체적이며 넓은 표면적을 가진다. 따라서 백금이 탄소 지지체 위에 더욱 고르게 분산될 수 있다. 또한 그래핀 특성의 탄소지지체 표면 구조를 활용할 경우 분산된 백금 입자의 물리화학적 성질도 변해서 글리세롤과 더 잘 반응하게 돼 촉매의 성능도 우수해진다. 논문의 주 교신저자인 김형주 박사는 “본 성과와 관련된 '수소 및 화학제품 동시생산을 위한 미활용 탄소원들의 전기화학 촉매 전환 기술'은 2018년 국가연구개발 우수성과 100선에 선정된 기술로서, 우리 화학연구원 연구팀이 관련 분야에서 국내에서 유일하게 독보적인 위치를 가지고 있다. 현재 관련기술 개발과 상용화에 매진하고 있으며, 또 다른 세계 최고 수준의 촉매 및 반응기술 연구 개발 결과들을 학계에 보고할 준비를 하고 있다. 앞으로 관심을 가지고 지켜봐 달라”고 말했다. 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부/국가과학기술연구회에서 지원하는 화학연구원 ‘탄소자원화 BIG 사업’ 과제의 일환으로 수행되었다. 연구성과는 촉매 및 에너지환경 분야의 세계적 권위의 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 1월 온라인 출간 게재되었다. 어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)은 네덜란드에서 한 달에 두 번 발간하는 화공 촉매 및 환경공학 분야 상위 1%의 권위 있는 국제학술지(영향력지수(IF): 11.698)로서 화공 촉매 및 에너지, 환경 공학 등에 대한 연구 논문을 주로 다룬다. 

[최홍식 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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