화학연, “이산화탄소ㆍ폐글리세롤로 젖산ㆍ포름산 만든다”

▲새로 개발한 촉매의 반응을 통해 글리세롤과 이산화탄소를 동시전환해 젖산과 포름산을 생산하는 것을 나타낸 그림이다. (사진제공=한국화학연구원)

온실가스인 이산화탄소와 바이오디젤의 부산물인 글리세롤로 유용한 화학 원료인 젖산과 포름산을 동시에 생산할 수 있는 촉매 공정 기술이 개발됐다.

한국화학연구원(KRICT)은 황영규 박사팀이 글리세롤과 온실가스인 이산화탄소를 활용해 젖산과 포름산을 높은 수율로 생산할 수 있는 촉매 공정을 개발했다고 30일 밝혔다.

젖산은 썩는 플라스틱의 원료로 활용될 수 있으며 포름산은 연료전지의 수소저장물질, 가죽과 사료 첨가제로 쓰이거나 추가 촉매 공정을 통해 화학제품으로 만들어질 수 있다. 2020년 기준 세계적 시장 규모로 젖산은 170만 톤, 포름산은 200만 톤이고 매년 각각 15%, 5%씩 시장이 성장하는 추세다.

글리세롤과 이산화탄소로부터 젖산과 포름산을 동시에 생산하는 원리는 촉매를 이용한 ‘탈수소화 반응’과 ‘수소화 반응’이다. 수소가 들어있는 유기화합물에서 수소원자를 떼어내는 반응이 탈수소화 반응이고, 이 떼어낸 수소원자를 다른 화합물에 첨가시키는 것을 수소화 반응이라고 한다. 수소화 반응은 촉매 분야에서 많이 이용되고 있지만 수소가스는 운반이 위험하고 사용이 어려워서, 수소가스를 활용한 수소화 반응 연구 대신 수소가 액체에 포함된 액상 수소원을 활용한 연구가 주목받고 있다.

화학연은 관련 연구를 5년간 진행한 끝에 극소량만 넣어도 글리세롤의 탈수소화 반응과 이산화탄소의 수소화 반응을 동시에 끌어내는 새로운 촉매를 개발했다. 이와 비슷한 금속촉매 공정 연구는 3건 보고됐는데, 연구팀이 개발한 촉매 공정은 기존 연구보다 촉매 활성이 좋고, 젖산과 포름산 생산 수율이 높다.

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

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 만들었다.

황영규 본부장은 “이번에 개발한 글리세롤과 이산화탄소의 동시전환 촉매시스템을 바탕으로, 여러 바이오매스 활용한 이산화탄소 전환 촉매 반응 연구 등이 활발하게 이뤄질 것”이라며 “석유화학과 정밀화학, 바이오화학 공정 등에 미치는 영향이 클 것”이라고 전망했다.