촉매 기술 대격변 백금 1%만으로 프로필렌 생산 가능해졌다

촉매 기술 대격변 백금 1%만으로 프로필렌 생산 가능해졌다

촉매 기술 대격변 백금 1%만으로 프로필렌 생산 가능해졌다

성균관대 박남규 종신석좌교수 세계적 권위 훔볼트 연구상

플라스틱, 섬유, 자동차 부품, 전자제품 등 다양한 제품 생산에 필수적인 프로필렌은 석유화학 산업의 핵심 원료로 손꼽힌다.

최근 국내 연구진이 프로필렌을 보다 저렴하고 효율적으로 생산할 수 있는 새로운 개념의 촉매를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀은 값싼 갈륨과 알루미나를 기반으로

백금은 백만분율로 100ppm에 불과한 소량만 사용하는 촉매를 개발했다고 밝혔다.

이 연구는 국제 학술지 '미 화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 2월 13일자로 게재됐다.

프로필렌은 프로판에서 수소를 제거하는 '프로판 탈수소화(PDH, propane dehydrogenation)' 공정을 통해 생산된다.

이 공정에는 백금 촉매가 널리 활용돼 왔다. 백금은 탄소와 수소의 결합을 끊고

수소를 제거하는 뛰어난 성능을 갖췄지만, 고가이며 사용을 반복할수록 성능이 저하된다는 한계가 있었다.

연구팀은 갈륨과 알루미나를 기반으로 백금을 최소한으로 사용한 촉매를 설계해 이러한 문제를 해결했다.

갈륨은 프로판의 탄소-수소 결합을 활성화하여 수소를 떼어내고 프로필렌을 생성하며

백금은 남은 수소를 모아 수소 기체로 변환시켜 촉매 표면에서 제거하는 역할을 한다.

두 금속이 서로 역할을 분담함으로써 백금 사용량을 줄이면서도 촉매의 성능을 유지하도록 했다.

특히, 백금과 갈륨의 비율을 최적화했을 때 최고 수준의 성능이 확인됐다.

이 촉매는 기존보다 훨씬 고농도인 1만ppm의 백금을 사용하는 상용 촉매보다도 더 뛰어난 성능을 나타냈다.

연구진은 이러한 이상적 조성 비율을 과학적으로 규명하며 정량적 예측 지표도 새롭게 제시했다.

또한 기존 백금 촉매에서 문제되던 반복 사용 시 백금 입자가 뭉쳐 성능이 감소하는 '소결' 현상도 새로운 접근으로 해결했다.

연구팀은 소량의 세륨을 첨가해 백금 입자의 뭉침 현상을 억제하는 데 성공했고

그 결과 20회 이상의 반복 반응과 재생 이후에도 촉매 성능이 안정적으로 유지됐다.

최민기 교수는 이번 연구를 통해 백금 사용량을 기존 대비 100분의 1 수준으로 줄이면서도 성능은 유지하거나 향상시킬 가능성을 제시했다고 설명했다.

또한 이를 통해 촉매 비용 절감, 교체 주기 단축, 폐촉매 감소 등 경제적·환경적 효과를 기대할 수 있다고 덧붙였다.

아울러 앞으로 대규모 공정 실증과 상업화 가능성을 검토할 계획이며

산업 현장에 적용된다면 프로필렌 생산의 경제성과 효율성이 크게 향상될 것이라고 전망했다.