'저널 오브 카탈리시스' 7월10일자에 게재
활성 뛰어난 촉매 설계, 후보물질 단번에 압축
【서울=뉴시스】이국현 기자 = 국내 연구진이 실험이 아닌 컴퓨터 계산을 활용해 촉매 후보물질을 설계하고 이를 바탕으로 최적화된 활성 촉매를 만드는데 성공했다.
한국연구재단은 하정명, 함형철 한국과학기술연구원 박사 연구팀이 컴퓨터 계산을 통해 메탄가스에서 '화학산업의 쌀'이라 불리는 에틸렌을 얻을 수 있는 촉매를 찾았다고 29일 밝혔다.
석유화학공정이나 매립쓰레기에서 얻을 수 있는 많은 양의 메탄을 에너지원으로 사용하는 데서 나아가 화학제품의 원료로 사용할 수 있는 천연가스 고부가가치화 촉매를 설계했다.
메탄을 일산화탄소와 수소로 전환시켜 원료로 활용하는 간접적인 방식은 상용화 단계에 이르렀으나 효율이 낮은 편이다. 원유 증류 과정에서 에틸렌을 얻는 대신 풍부하게 존재하는 메탄을 산소와 반응시켜 직접 에틸렌을 얻으려 했으나 반응이 완전히 밝혀지지 않아서 적합한 촉매를 찾기 어려웠다.
이에 연구팀은 실험을 통해 일일이 후보물질의 반응성을 확인하는 대신 컴퓨터를 이용해 다양한 후보물질을 설계하고물질 표면에서 메탄이 어떻게 변화할지 예측했다.
실험실에서 촉매를 합성하는데 걸리는 시간은 평균 일주일, 촉매의 화학반응 특성분석에 걸리는 시간 또한 1주~2주가 소요되지만 컴퓨터 계산을 통해 촉매 후보군의 반응성에 대해 판단 시간을 크게 단축했다.
연구진은 양자역학 기반 범밀도함수(DFT) 계산 방법을 이용해 다양한 촉매 구조를 컴퓨터로 설계하고, 촉매 구조에 따라 메탄이 촉매 표면에서 어떻게 변화할지 이론적으로 예측하면서 메탄의 고부가 가치화가 가능한 촉매 후보 물질을 탐색했다.
압축된 촉매 후보 물질 65종류 가운데 네오디뮴(Nd)이 첨가된 스트론튬타이타네이트 촉매가 메탄의 산화를 돕는 높은 활성을 보인다는 사실을 확인했다. 기존 스트론튬타이타네이트 촉매의 선택도(48.9%) 대비 15% 가량 향상된 선택도(55.0%)를 보여 메탄 원료를 효율적으로 활용할 수 있는 방안을 제시했다.
하정명 박사는 "실험만으로는 달성하기 어려운 메탄 전환 촉매 설계 방법을 개발했다"며 "향후 저가 천연가스로부터 고부가가치 화학제품을 생산하는 상용기술을 개발할 것"이라고 밝혔다.
연구 성과는 촉매화학 분야 국제학술지 '저널 오브 카탈리시스(Journal of Catalysis)'에 7월 10일자에 게재됐다.
